年齢に関係なく、誰もがシャボン玉が大好きです。大きいほど良いものです。しかし、世界記録規模の本当に大きなシャボン玉を吹くには、非常に精密なシャボン玉の混合が必要です。物理学者たちは、様々な長さの糸を持つポリマーを混ぜることが鍵となる成分であることを突き止めました。これは、破裂することなく巨大なシャボン玉を作るのに十分な薄さに伸びる石鹸の膜を作り出すのです。
泡は取るに足らないもののように思えるかもしれませんが、その根底には複雑な物理学が隠されており、そのため、泡の研究は古くから真剣な科学として行われてきました。1800年代、ベルギーの物理学者ジョセフ・プラトーは、石鹸膜の構造を決定する表面張力の4つの基本法則を概説しました。泡が丸いのは表面張力のためです。丸い形状は、一定の体積に対して表面積が最も小さいため、維持に必要なエネルギーが最も少なくなります。時間の経過とともに、重力によって液体が下方に引っ張られるため、泡の形状は完全な球体ではなくサッカーボールに似た形になっていきます（これを「粗大化」といいます）。
泡と泡沫は、依然として活発な研究分野です。例えば、2016年には、フランスの物理学者たちが、空気の噴流が石鹸膜に当たったときに石鹸の泡がどのように形成されるかという正確なメカニズムを解明する理論モデルを考案しました。彼らは、泡は一定の空気速度を超えた場合にのみ形成されることを発見しました。この速度は、空気の噴流の幅に依存します。噴流が広いほど、泡形成の閾値は低くなり、形成された泡は、より狭い噴流で生成される泡よりも大きくなります。狭い噴流は、より広い速度閾値を持っています。これは、私たちが小さなプラスチック製の棒の先端にあるリングを通して泡を吹き出すときに、物理的に起こっていることです。つまり、噴流は私たちの唇のあたりで形成され、リングの中に浮かぶ石鹸膜よりも幅が広くなるのです。
2018年、ニューヨーク大学応用数学研究所の数学者たちが、石鹸の薄い膜を使った同様の実験に基づき、完璧なシャボン玉を吹く方法をさらに微調整したことをお伝えしました。彼らは、周囲1.5インチ（約3.7cm）の円形の吹き棒を使い、毎秒6.9cmの一定速度で優しく息を吹き込むのが最適だと結論付けました。より速い速度で息を吹き込むと、シャボン玉は破裂します。より小さい、あるいは大きい吹き棒を使っても、同じことが起こります。
しかし、巨大なシャボン玉や、2階建ての高さに及ぶほど長く薄いシャボン玉の膜を吹き出すことはどうでしょうか？ 最新論文の共著者であり、エモリー大学で流体力学を専門とする物理学者であるジャスティン・バートン氏がこのテーマに初めて興味を持ったのは、バルセロナで開催されたある会議でのことでした。彼は、ストリートパフォーマーたちがフラフープほどの直径、車ほどの長さの巨大なシャボン玉を作っているのを目にしました。
ジャスティン・バートン提供
彼は特に、泡の表面が虹色に変化する様子に興味をそそられました。この現象は、膜の両面で光が反射する際に生じる干渉縞によるものです。バートンにとって、これは石鹸の厚さがわずか数ミクロン、つまり光の波長とほぼ同じであることを示唆するものでもありました。石鹸の膜がこれほど薄く引き伸ばされて巨大な泡になっても無傷のままであることに驚き、研究室と自宅の裏庭で独自の実験を始めました。
オープン アクセスの Soap Bubble Wiki をよく読んでいると、シャボン玉液の人気のレシピのほとんどにポリマー (通常は天然のグアー (一般的な増粘剤の食品添加物) または医療用潤滑剤 (ポリエチレン グリコール)) が含まれていることに気づきました。
これらのレシピを参考に、「基本的に泡を作り、弾けさせ、そのプロセスの速度とダイナミクスを記録しました」とバートン氏は語った。「流体が最も激しく動く瞬間に焦点を当てることで、その根底にある物理現象について多くのことを知ることができます。」
最終的な目標は、巨大な泡を生成するための泡混合物の完璧な割合を決定することでした。つまり、少し伸びるけれど伸びすぎず、液体が少し流れるけれど流れすぎず、言い換えれば、泡混合物のゴルディロックスです。
Lissie Connors 氏は Physics Buzz で次のように書いています。
実験では、研究者たちは水、石鹸、長鎖ポリマーを様々な割合で混ぜて泡を作りました。しかし、100立方メートルの泡を膨らませるのは実験室のスペースを有効活用する上で不適切であり、正確な測定も非常に困難でした。そこで、綿糸を使って石鹸の膜を作り、その厚さを赤外線で測定しました。厚さの測定に加えて、それぞれの膜の寿命も追跡しました。
バートン氏と彼のチームは、巨大な泡を生み出す鍵はポリマーの鎖にあると結論付け、ネット上の集合的な知識を裏付けました。「ポリマーの鎖は毛玉のように絡み合い、ほどけない長い鎖を形成します」とバートン氏は言います。「適切な組み合わせのポリマーは、石鹸の膜を粘性がありながらも伸縮性のある『スイートスポット』に到達させます。ただし、伸びすぎて破れてしまうほどではありません。」
研究チームはまた、ポリマー鎖の長さを変えることで、より丈夫な石鹸膜が形成されることを発見した。「異なるサイズのポリマーは、単一サイズのポリマーよりもさらに絡み合い、膜の弾力性を高めます」とバートン氏は述べた。「これは物理学における基礎的な発見です。」
バートン氏の巨大シャボン玉のレシピは以下をご覧ください。ただし、湿度など、バートンの実験室環境とは異なり、現実世界では制御できない要素もいくつかあるので、ご注意ください。
DOI: Physical Review Fluids, 2020. 10.1103/PhysRevFluids.5.013304 (DOIについて)。
完璧なレシピ
材料
水1リットル（約2パイント）
ドーンプロフェッショナル洗剤50ミリリットル（大さじ3杯強）
食品増粘剤であるグアーパウダー2～3グラム（約山盛り小さじ半分）
消毒用アルコール50ミリリットル（大さじ3杯強）
ベーキングパウダー2グラム（約小さじ1/2杯）
方向
グアーパウダーをアルコールと混ぜ、ダマがなくなるまでかき混ぜます。
アルコールとグアーのスラリーを水に加え、10分間優しく混ぜます。グアーが水分を吸収するまで少し置いてから、もう一度混ぜます。水は、サラサラとしたスープや固まっていないゼラチンのように、少しとろみがつくはずです。
ベーキングパウダーを加えて混ぜます。
ドーンプロフェッショナル洗剤を加え、泡立たないように軽くかき混ぜます。
繊維質の紐をつけた巨大なシャボン玉棒を、完全に水に浸かるまで浸し、ゆっくりと紐を引き抜きます。棒をゆっくりと振ったり、息を吹きかけたりして、巨大なシャボン玉を作りましょう。
このストーリーはもともと Ars Technica に掲載されました。
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