シャンパンの泡の物理学は未来を動かすのに役立つ

どんな場合でも、シャンパンコルクの破裂音は圧力を解放することを意味します-吸収しようとする飲み騒ぎと内部の液体の両方に。 ボトルを開くと、液体にかかる圧力が変化し、溶けた二酸化炭素が泡立ち、ガラスに特徴的な輝きが生まれます。

関連性のあるコンテンツ

• バルト海難破船から回収された（試飲された）170年前のシャンパン
• シャンパンポップスが選ばれる理由の科学
• シャンパンの科学、事故によって生み出された泡立つワイン

シャンパンの泡がなぜよく知られているのかという基礎はよく知られていますが、科学者たちはまだ泡の形成に関連するいくつかの謎を解決しようとしています。 おそらく驚くべきことに、冷えたシャンパンの泡は、蒸気タービンで使用される沸騰水の泡と同様に、さまざまな工業用途の泡と同様に振る舞います。

「泡は私たちの日常生活で非常に一般的です」と、フランスのランス大学の物理学者ジェラール・リガー・ベレールは言います。「彼らは、物理学、化学工学、機械工学、海洋学、地球物理学、技術、さらには医学。 それでも、彼らの行動はしばしば驚くべきものであり、多くの場合、まだ完全には理解されていません。」

顕著な謎の1つは、液体中にさまざまなサイズの気泡が形成される速さです。これは、エンジニアがより効率的なボイラーシステムを設計し、蒸気動力炉の出力を改善するのに役立ちます。 スーパーコンピューティングパワーを使用して泡立つ液体をシミュレートすることで、日本の研究者は1960年代に提案された数学理論にすべてが帰着することを確認しました。

「これは、バブルが分子レベルで形成される際に、バブルがどのように相互作用するかを理解するための最初のステップです」と、東京大学の物理学者である渡be博研究者は言う。 今月の結果はJournal of Chemical Physicsに掲載されています。

シャンパンと熱湯では、泡は発見者である19世紀のドイツの化学者ヴィルヘルムオストワルドにちなんで名付けられたオストワルド熟成と呼ばれる変換を受けます。 彼は、大きな粒子ほどエネルギー的に安定しているため、溶液中の液体または固体の小さな粒子が大きな粒子に取って代わることに気付きました。

泡の場合、小さな表面の液体分子は安定性が低く、剥離する傾向があります。 同時に、分子はより大きな泡の安定した表面に引き寄せられます。 時間が経つにつれて、小さな泡の数が減り、大きな泡の数が増え、液体全体のテクスチャが粗くなります。 「シャンパン[ボトル]の栓を外す瞬間に多くの泡が現れた後、泡の数は減少し始めます」と渡辺は言います。 「小さな泡を食べると大きな泡が大きくなり、最後にたった1つの泡だけが生き残ります。」オストワルドの熟成は、再凍結アイスクリームの砂質テクスチャーの背後にあります。融解した混合物が固化すると、より大きな氷の結晶。

飲食物の領域を超えて、オストワルド熟成は、ボイラーが水を加熱して蒸気から熱エネルギーを収穫する発電所で発生します。 ただし、ボイラー内で泡がどのように形成されるかについての複雑さはよく理解されていません。これは、ラボで遊んでいる泡の膨大な量を再現するのが難しいためです。

九州大学と日本の理化学研究所の渡辺と同僚は、世界最速のスーパーコンピューターの1つであるKコンピューターに注目しました。 彼らは、制約のある仮想空間（この場合はボックス）内で数百万の仮想分子の動作をシミュレートするプログラムを構築しました。 各分子に速度を割り当て、彼らはどのように動き、泡を形成するかを見ました。 チームは、たった1つのバブルを形成するのに約10, 000分子の液体が必要であることがわかったため、約7億個の分子の動きをマッピングして、バブルがどのように振る舞うかを把握する必要がありました。 シミュレーションの縮小版のアニメーションは次のとおりです。

このモデルにより、チームは、バブルが1960年代に考案されたLifshitz-Slyozov-Wagner（LSW）理論と呼ばれる数学的フレームワークに従うことを確認できました。 最初は、分子が液体から気体に移行する速度が気泡形成の速度を支配します。 この変換は気泡の表面で発生するため、蒸発速度が加速すると、液体分子が気泡の表面に到達できる速度が形成と成長の速度を決定します。

渡辺氏は、機械が気泡形成プロセスに代わる工場との関係を例えています。「工場内の機械の性能が悪い場合、工場の生産率は機械の性能によって決まります。 機械の性能が十分であれば、原材料の供給によって生産率が決まります。」

ガスタービンシステムの加熱されたパイプでは、気泡がパイプの金属表面に小さな力を加えると、気泡が熱交換を減らし、摩耗を引き起こす可能性があります。 プロペラを水に入れると、同じことが起こります。泡が形成され、飛び出し、徐々にブレードを損傷します。 タービンとプロペラは気泡の有害な影響を減らすように最適化されていますが、渡辺は「気泡の挙動に関する深い洞察は、気泡を改善する画期的なアイデアを見つけるのに役立ちます」と指摘します。

発電所の効率化を支援する可能性に加えて、渡辺氏は、泡や金属合金を使用する分野など、他のバブルの多い分野での用途にも注目しています。 「分子レベルでの気泡の挙動を理解することは、近い将来、多くの種類のデバイスの効率を改善するのに役立つと信じています」と彼は言います。

それに乾杯。