地上で最も長く存続するバブル！壊れることなく30分近く持続します

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

泡は自然界に遍在する物質として、私たちの生活の中に頻繁に現れます。公園では、子どもたちが穴の開いたプラスチックの棒を溶液の中に入れ、そっと息を吹きかけていました。一連の泡がゆっくりと立ち上がり、つかの間の輝きを放ちながら花開きました。キッチンでは、洗剤を水で流すと、無数の小さな泡が妖精のように飛び跳ねます。これらの透明な泡の列は、私たちの生活に彩りを添えるだけでなく、重要な役割を果たしています。

2024年3月20日、中国の科学者たちは、超音波浮遊技術を利用して泡の寿命を延ばすという研究論文をDroplet誌に発表した。この技術の助けを借りて、研究チームは「地球上で最も長く持続するバブル」を準備し、それは23分36秒間持続しました。こうなると、泡がどのように形成されるのか興味が湧いてきます。私たちが吹いたシャボン玉はなぜすぐにはじけるのでしょうか?

プラスチックの棒から吹き出されたシャボン玉

（写真提供：veerフォトギャラリー）

泡 - 気相と液相の共存

泡はガスと液体の膜という 2 つの部分で構成されています。外部からの力を受けると、ガスは小さな穴を通って液体に入ります。表面張力の作用により、液体がガスを包み込み、泡が形成されます。

気体と液体の接触が泡生成の主な条件です。子どもがシャボン玉を吹くときは、穴の開いたプラスチックの棒を溶液に浸し、口で優しく吹きます。ガスは液膜に「充填」され、泡を形成します。また、水を沸騰させると泡が発生することも観察されます。このプロセスにおけるガスはどこから来るのでしょうか、そして誰が泡を「吹き出す」のでしょうか?

水が沸騰すると泡が出る

（写真提供：veerフォトギャラリー）

実際、加熱プロセス中、ケトルの底部の温度は高くなり、底部近くの水分子は優先的に分子間相互作用の制約から解放され、水蒸気に蒸発します。この時点で、ケトルの底にある「小さな凹凸」または不純物が泡の形成場所となり、そこに水分子が集まって泡が形成されます。したがって、このプロセスから、気化した水蒸気によって泡が「膨らむ」ことがわかります。

泡は水を沸騰させる現象ですが、水の沸点も反映しています。高地で水を沸騰させる場合、水が沸騰し始めても温度は100度以下です。これはなぜでしょうか?

水が沸騰している兆候は、飽和蒸気圧が外部の大気圧と同じになること、つまり、生成された泡内の空気圧が外部の大気圧と同じになることです。高度が上がるにつれて大気が薄くなり、大気圧が低下して水が早く沸騰するようになります。

アウトドアケトル

（写真提供：veerフォトギャラリー）

関連する研究によると、高度が 300 メートル上昇するごとに、水の沸点は摂氏約 1 度低下します。エベレスト山は海抜約8,848メートルにあり、そこでの水の沸点はわずか70℃程度です。エベレストに登る場合は、より多くの水を追加し、麺を茹でるのに長い時間をかける必要があるかもしれません。

宇宙ステーションで水を沸かすことはできますか？

2022年3月23日午後、神舟13号の宇宙飛行士、翟志剛、王亜平、葉光復は中国の宇宙ステーションで「天宮教室」の2回目の授業を成功裏に実施し、国内外の観客から幅広い注目を集めた。

宇宙と地上の交流セッション中、チベットのラサにある地上分校の生徒たちは、宇宙ステーションでお湯を沸かすことが可能かどうかを知りたがっていました。宇宙飛行士の王亜平先生の答えは「ノー」です。宇宙ステーションの飲料水は、通常、飲む前に専用の加熱装置で加熱されており、地上のように直接沸騰させることはできません。

宇宙ステーション

（写真提供：veerフォトギャラリー）

これは、宇宙ステーションの無重力環境では、水を加熱した際に発生する気泡が浮き上がりにくくなり、浮遊気泡による対流や気泡の乱れが抑制されるためです。水温の上昇は熱伝導にのみ依存します。加熱面から遠い水は100℃まで加熱されにくく、均一な沸騰状態に達することができません。

バブルが存在できる最長時間はどれくらいですか?

水を沸騰させて発生する泡であれ、洗剤をかき混ぜて発生する泡であれ、その存在時間は基本的に数秒です。子供が吹くシャボン玉でさえ、数十秒しか存在しません。では、泡が存在できる最長時間はどれくらいでしょうか?

通常の状況では、重力の影響により、液膜内の液体は下方向に流れ、これが排水プロセスです。これにより、液膜の厚さが不均一になり、泡が長時間安定して存在できなくなります。泡の寿命を延ばすために、研究者たちは宇宙ステーションの微小重力環境に注目した。 2014年、ヨーロッパの研究者らは宇宙ステーションの水サンプル中の気泡の保持に関する実験を行った。宇宙ステーションで水サンプルを振った後、発生した泡は18分間存在できましたが、地球上で水サンプルを振った後、発生した泡は1秒後に消えました。

宇宙ステーション内の泡と地球上の泡の存在時間の比較

（画像出典：参考1）

微小重力環境は気泡の排出を抑制し、寿命を延ばすことができますが、非常に高価であり、宇宙ステーションで気泡を他の研究と組み合わせることは困難です。中国の科学者らがDroplet誌に発表した、超音波浮上技術を使って泡の寿命を延ばす研究論文では、音響浮上した泡の超安定性が明らかになった。

研究者らは、安定した音響浮上状態では、泡液膜の重力が音響放射力によってバランスされ、音響放射力が泡膜上の液体の静圧も相殺し、それによって排水が抑制され、微小重力条件下で泡の寿命が延びるのと同様の効果を生み出すことを発見した。

音響浮上条件下でのドデシル硫酸ナトリウム（SDS）気泡（a）と純水気泡（b）の存在時間の比較

（画像出典：参考資料2）

結果によると、ドデシル硫酸ナトリウム (SDS) 溶液を使用して生成された泡の寿命は 15 分を超え、界面活性剤を添加していない純水の泡でも寿命は 7 分でした。さらに、音響放射力は他の外部擾乱を安定化させることもできます。浮遊気泡は、直径 0.8 mm の熱い銅針 (約 50 ℃) を貫通しても無傷のまま残ります。研究チームはこの技術を使って、23分36秒間持続する「地球上で最も長寿命のバブル」を作り出した。

バブル寿命を延ばすことの応用価値は何ですか?

まず、マイクロリアクターや触媒キャリアとして、化学合成や材料科学において、マイクロリアクターとしての安定した気泡は大きな気液接触面積を提供し、それによって物質移動効率と反応速度を向上させることができます。さらに、気泡表面には環境修復やグリーン化学合成のための触媒を吸着することができます。

化学反応における泡

（画像出典：参考資料2）

2つ目は熱交換およびエネルギー変換システムです。ヒートパイプや放熱システムでは、安定した気泡により熱抵抗が低減し、機器の熱管理能力が向上します。さらに、気泡の振動および共鳴特性は、音響エネルギー変換システムなどのエネルギー収集および変換デバイスにも使用できます。

3つ目は、基礎物理学研究に利用されることです。安定した気泡は、液体の表面張力、粘度、流動性を研究するための理想的な実験モデルとなります。泡が音響場内でどのように動作するかを観察することで、泡についてのより深い理解が得られます。

結論

一見普通の泡は私たちの生活に多くの楽しさと便利さをもたらします。科学者の目には、小さなものの中にも重要な原理や応用の可能性が秘められていることが多々あります。科学的な目で世界を見ると、生活のあらゆるところに興味深い科学があることに気づくでしょう。

参考文献:

1.ランジュバン、ドミニク。界面活性剤によって安定化された水性泡および泡膜。無重力研究[J]。コンテス・レンドゥス・メカニーク、2017年。

2.Xiaoliang Ji、Wenxuan Zhong、Kangqi Liu、他。超音波中に浮遊する界面活性剤を含まない気泡の並外れた安定性[J]。ドロップレット、2024年。

3. Du Wangfang、Liu Peng、Zhao Jianfu 他。中国の宇宙ステーションでの「沸騰水」沸騰現象における重力のメカニズムを明らかにする[J]。力学と実践、2022年。

4. Guo Lei、Zhang Shusheng、Chen Yaqun 他。垂直狭流路における水沸騰熱伝達の気泡ダイナミクスに関する研究[J]。西安交通大学誌、2010 年。