泡の一生 10 班瀧川晃太郎１．緒論泡は我々の生活の中,そしてこの世界に極めてありふれた現象である.例えばシャボン玉やビールの泡,プールなど,液体のあるところに泡があるといっても過言ではない.また泡はその性質から,壊れやすいもの,儚いものと捉えられることが多い.しかし, 近年の研究でナノバブルと呼ばれる非常に小さい泡 (直径約100 nm以下)の寿命が半年以上であることが確かめられており 1),この泡の性質を利用する研究が様々な分野で行われている. この事実を知り,私は泡の性質に興味を持った.そこで本研究では,泡という現象について理解を深め, 特に洗剤による泡の寿命について実験を行い,どのような条件で泡の寿命が延びるのかを検証することにした. 純液体ではこれに対する抵抗力が働かないため, 泡は非常に不安定となる.界面活性剤の含まれる溶液でも重力によって流下することで泡膜が薄くなるが,泡膜両表面に界面活性剤が配列して層を成すことによる静電相互作用反発力𝛱𝐸 や膜内部の水和力 𝛱𝑆 が働いて泡が安定化することになる 2).よって,泡膜の外圧と内圧の差𝛱(ℎ)は式(2)の様に表される. 𝛱(ℎ) = 𝛱𝐸 + 𝛱𝑉 + 𝛱𝑆 (2) 安定化した泡は表面相互作用自由エネルギー 𝛥F(h) = 𝛥𝐹𝐸 + 𝛥𝐹𝑣 + 𝛥𝐹𝑆 (3) を持ち,そのポテンシャル障壁を超えるエネルギーが外部から与えられえることでよりエネルギーの低い状態,つまり破泡に至る.泡立ちから破泡までの時間は以上の様に泡の安定性に依存しており,これを泡寿命として本研究を行った. ２．泡の構造と破泡のメカニズム泡とは,その表面が気体と液体の接する気液界面となっているものを指す.泡の形態には数種類があるが,本実験では液面の泡について実験を行うため, 以降は単一泡沫(単独で存在する泡)のみを扱うこととする. 3.実験本実験では図 2 に示す実験装置を用いて実験を行った.この実験装置は,300 mlポリビーカーの底部に穴を空けて送気用チューブを通し,これにピストンを接続することで吹き込む気体の体積を調製することを可能にしたものである. 泡の発生に用いる界面活性剤としては,市販の洗剤を採用しており,この洗剤に含有されている界面活性剤はアルキルエーテル硫酸エステルナトリウムと脂肪酸アルカノールアミドであった.またその濃度は 21%であった.この洗剤を水で希釈することで界面活性剤濃度が 15.8%,10.5%,7.00%,5.25%,4.20% の溶液を調製した. 調製した希釈溶液や左から 10 ml,5 ml,1 ml 洗剤の原液を実験装置に入れ,各々の濃度についてピストンで泡体積を変えながら泡寿命をストップウォッチで計測した. 図 1. 泡の構造界面活性剤の水溶液では図 1 の様に界面活性剤が表面に配列した泡膜ができる.一般に泡膜には,重力による静水圧や表面張力,van der Waals 力𝛱𝑉 などが働いて自然に薄くなろうとする性質がある 2).ここで,泡の内外の圧力差𝛥𝑃は泡の半径R,表面張力γ を用いて Young-Laplace の式として式(1)のように表される. 𝛥𝑃 = 2𝛾 𝑅 (1) 送気チューブ図 2. 泡寿命測定用実験装置 4.結果と考察泡体積と泡寿命の関係の実験結果は図３と図４のグラフにまとめられた.また,濃度が 10.5%以下での泡寿命と界面活性剤濃度の関係を図 5 に示した. 2000 y = 3203.1e-0.531x 泡寿命 / s 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 泡体積 / ml 図 3. 泡体積と泡寿命の関係(原液:濃度 21%) 200 180 7% 10.50% 15.75% て表面張力が減少して泡膜を薄化する力が極めて小さくなることや式(2)の膜間斥力が指数関数的に増加すること 2),第二に液体の粘性が高い場合は膜間の排液にかかる時間が長くなることが挙げられる. これに対して低濃度側では,極大点を持ち,それ以外では減少している.これは,界面活性剤濃度が低く泡体積が小さい場合は式(1)において泡の半径 R が小さく,表面張力γが大きくなることで内外圧力差ΔP が非常に大きくなるためだと考えられる. 図 5 では,泡の体積が 0.5 ml 以下では界面活性剤濃度と泡寿命の間に相関関係があることがわかる. これについては図 6 のように泡の表面粘性と泡寿命の間には相関関係があることが報告されており 2), 今回の結果はそれに追従する結果を得たものであると考えられる. 160 泡寿命 / s 140 120 100 80 60 40 0 2 4 6 泡体積 / ml 図 4. 泡体積と泡寿命の関係(希釈溶液) 図 6. 泡の表面粘性と泡寿命の関係 (出典:泡のエンジニアリング p.51) 110 100 本実験ではデータを求める際に,最低 5 回測定を行いその平均値をとったが,その予想値を大きく下回るデータが散見された.これは泡が,実験条件をそろえてもわずかな揺らぎが結果に大きく作用する非平衡系であることが原因だと考えられる.したがって,より正確なデータを得るためには温度や空気の揺らぎなどの外乱を排除することが必要となる. 泡寿命 / s 90 80 70 60 50 40 0.05ml 30 4% 5% 0.1ml 0.5ml 1ml 6% 7% 8% 9% 界面活性剤濃度 / % 2ml 10% 11% 図 5. 界面活性剤濃度と泡寿命の関係図 3 と図 4 から,界面活性剤濃度が 21%と 15.8%のグラフの間に,また 10.5%と 7%のグラフの間にはそれぞれ形状の相似がみられることが分かった.グラフより,界面活性剤濃度が高い液体の泡では体積が小さくなると寿命が指数関数的に増大すると考えられる. この要因としては第一に,界面活性剤によっ 5.結論・泡の寿命を延ばすためには界面活性剤濃度を高くし,泡の体積を小さくすればよいことがわかった. ・低濃度,低体積の泡では界面活性剤濃度と泡寿命に線形関係がある. 参考文献 1) 「マイクロバブル及びナノバブルに関する研究」 https://unit.aist.go.jp/emtech-ri/26envfluid/pdf/takahashi.pdf(2015/1/19 アクセス) 2) 石井淑夫,泡のエンジニアリング,テクノシステム(2005) p.3-10,43,51,69-71