The fascinating science of bubbles, from soap to champagne | Li Wei Tan

翻訳: Yuri Ozaki 校正: Misaki Sato

Some years ago, I was visiting Paris

数年前 私はパリを訪れていました

and walking along the Seine River during a beautiful summer afternoon.

美しい夏の昼下がり セーヌ川沿いを歩いていると

I saw giant bubbles floating on the riverbank,

川岸に大きなシャボン玉が 浮かんでいるのが見えました

like this one.

こんな感じです

The next moment, it popped and was gone.

次の瞬間 シャボン玉は弾けて消えました

Making them were two street performers surrounded by a crowd.

観客に囲まれた２人の大道芸人が シャボン玉を作っていました

They visibly make a living by asking for donations

２人がそれでチップを募り

and by selling pairs of sticks tied with two strings.

ひもでつないだ２本の棒を売って 生計を立てているのは明らかです

When I was there, a man bought a pair of sticks for 10 euros,

見ていると その棒を 10ユーロで買った人がいて

which surprised me.

私は驚きました

I am a scientist who is passionate about bubbles.

私は泡に情熱を注ぐ科学者です

I know the right trick to make the giant bubbles

巨大なシャボン玉を作るコツは

is the right soapy water mixture itself --

水と石けんを混ぜる正しい割合であり

not the sticks,

棒ではありません

which may be needed,

もし必要であっても

but you can easily make them at home.

家庭で簡単に作れます

Focusing on the sticks makes us not see that the real tool is the bubble itself.

棒に気を取られると 泡が主役であることを見逃してしまいます

Bubbles might seem like something just children make while playing,

シャボン玉は ただの子供の遊びだと 思われているのかもしれません

but sometimes it can be really stunning.

でも時にとても魅力的なものでもあります

However, there are more fascinating science to bubbles,

泡にはもっと興味深い科学が潜んでいます

such as problem-solving tools.

例えば問題解決のツールとなりえます

So I would like to share with you

今日みなさんにお話ししたいのは

a few stories about the science of creating bubbles

泡を作る科学について何点かと

and the science of eliminating the microscopic ones.

微小な泡を除去する科学についてです

Since it's up on the screen, let's start with the soap bubble.

上の画面にありますので まずはシャボン玉の話から始めましょう

It is made from very common substances:

シャボン玉は ごくありふれた物質から出来ています

air, water, soap, in the right mixture.

空気、水、石けんを 正しい割合で混ぜ合わせます

You can see soap bubbles constantly changing their colors.

シャボン玉を見ると色が 常に変化するのがわかります

This is due to the interaction with light at various directions

これは様々な方向からの 光を反射し

and the changes of their thickness.

さらに表面の厚さが変化するためです

One of the common substances, water molecules,

一般的な物質のひとつである水の分子は

are formed by two atoms of hydrogen and one atom of oxygen -- H2O.

２つの水素と１つの酸素が 結合した分子 即ちH2Oです

On most surfaces, water droplets tend to curve inwards,

何かの表面上に水滴が落ちると 内側にカーブし

forming a semihemisphere shape.

半球体の形を作ります

This is because the water droplet's surface is like an elastic sheet.

その理由は水滴の表面がいわば しなやかなシートだからです

The water molecule on the surface is constantly being pulled inwards

表面にある水分子が常に 内側に向かって

by the molecule at the center.

中心の分子に引っ張られるからです

And the quality of the elasticity is what we call "surface tension."

そして この伸縮性を 「表面張力」と呼びます

Now by adding soap,

石けんを加えることによって

what happens is the soap molecule reduces the surface tension of water,

石けんの分子が水の表面張力を減らし

making it more elastic and easier to form bubbles.

伸縮性を高め泡を形成しやすくします

You can think of a bubble as a mathematical problem-solver.

泡は数学の問題解決ツールとして使えます

You see it relentlessly trying to achieve geometry perfection.

幾何学的に完璧な形を作ろうとしているのが 分かるでしょう

For instance, a sphere is the shape with the least surface area

例えば 体積が一定なら 表面積が最小となるのは

for a given volume.

球体です

That's why a single bubble is always in the shape of a sphere.

だから単体の泡は常に球体なのです

Let me show you. Check it out.

ひとつお見せしましょう

This is a single bubble.

これは単体の泡です

When two bubbles touch each other,

２つの泡が接するとき

they can save materials by sharing a common wall.

壁を共有して 表面を形成する物質を縮小します

When more and more bubbles are added together,

もっとたくさんの泡が一緒になると

their geometry changes.

形が変化します

These four bubbles are added together.

これらの４つの泡が一緒になると

They meet at one point at the center.

泡は中心で接続します

When six bubbles are added together,

６つの泡が一緒になると

a magical cube appears at the center.

中心に魔法の立方体ができます

(Applause)

（拍手）

That is surface tension at work,

これは表面張力が

trying to find the most effective geometry arrangement.

もっとも効率の良い形状配置を 探すことで起きる現象です

Now, let me give you another example.

もうひとつの例をお見せしましょう

This is a very simple prop.

シンプルな道具です

This is made from two layers of plastic

２枚のプラスチック板が

with four pins connected to each other.

４つのピンで接続されています

Imagine these four pins represent four cities that are equally apart,

各ピンは 同じ距離ずつ離れた都市だと 想像してください

and we would like to make roads to connect these four cities.

そしてこの４都市を結ぶ 道路を敷設したいと思います

My question is: What is the shortest length to connect these four cities?

４都市をつないだ最短距離は何でしょうか？

Let's find out the answer by dipping it into the soapy water.

これを石けん水の中に浸して 答えを探りましょう

Remember, the soap bubble forms will always try to minimize

シャボン玉は常に完璧な形状で

their surface area

表面積を最小にすることを

with a perfect geometry arrangement.

思い出しましょう

So the solution might not be something you expected.

解決策はあなたの予想とは 違うかもしれません

The shortest length to connect these four cities

４都市を最短で結んだ距離とは

is 2.73 times the distance between these two cities.

これらの２都市間の2.73倍の距離です

(Applause)

（拍手）

Now you've got the idea.

わかりましたね

The soap bubble forms will always try to minimize their surface area

シャボン玉は常に完璧な形状の配置で

with a perfect geometry arrangement.

表面積を最小にしようとします

Now, let us look at bubbles in another perspective.

それでは別の角度から泡を見てみましょう

My daughter, Zoe, loves visiting zoos.

娘のゾーイは動物園が大好きです

Her favorite spot is Penguin Cove at Marwell Zoo in Southern England,

イングランド南部のマーウェル動物園の ペンギンがお気に入りです

where she could see penguins swim at speed under the water.

ここでは ペンギンたちがすごい速さで 水中を泳ぐ姿が見られます

One day, she noticed that the body of penguins

ある日 娘は ペンギンが 泡の軌跡を残して泳ぐのに気が付き

leaves a trail of bubbles when they swim

and asked why.

理由を尋ねました

Animals and birds like penguins

水中での活動時間の長い動物や ペンギンのような鳥は

that spend a lot of their time under the water

水中での活動時間の長い動物や ペンギンのような鳥は

have evolved an ingenious way of utilizing the capability of bubbles

泡の特性を巧妙に生かして 水の密度を減らすような体に

to reduce the density of water.

進化を遂げました

Emperor penguins are thought to be able to dive a few hundred meters

コウテイペンギンは海面下数百メートルも 潜ることができると

below the sea surface.

推定されています

They are thought to store the air under their feathers

彼らは水に潜る前に羽毛に空気を蓄え

before they dive

and then progressively release it as a cloud of bubbles.

微小な泡をまとめて放出するそうです

This reduces the density of water surrounding them,

こうすることで 体をとりまく水の密度を減らし

making it easier to swim through

泳ぐのを簡単にし

and speed up their swimming speed at least 40 percent.

速度を少なくとも40％上げます

This feature has been noticed by the ship manufacturers.

造船業者がこの特徴に気づきました

I am talking about the big ships here,

大きな船のことを言ってるのです

the ones that are used to transport thousands of containers across the ocean.

何千ものコンテナを積んで 大海を行き来する船のことです

Recently, they developed a system called "air lubricating system,"

最近ペンギンから発想を得た 「空気潤滑システム」という

inspired by the penguins.

システムを開発しました

In this system, they produce a lot of air bubbles

このシステムはたくさんの気泡を作り出し

and redistribute them across the whole of the ship,

船が航行するときに全体を包み

like an air carpet that reduces the water resistance

水の抵抗を減らす 空気のじゅうたんのようにします

when a ship is moving.

This feature cuts off the energy consumption for the ship

このシステムはエネルギー消費を

up to 15 percent.

最大15％低減します

Bubbles can also be used for medicines.

泡は薬剤にも使えます

It can also play a role in medicines,

薬剤にも一躍買うかもしれないのです

for instance, as a method for noninvasive delivery systems for drugs and genes

例えば 体の特定の部位に 薬や遺伝子を運ぶ

to a specific part of the body.

非侵襲性の配送システムになりえます

Imagine a microbubble

薬と磁性剤の混合物で満たされた

filled with a mixture of drugs and magnetic agents

微小な泡が血流に注入されるのを

being injected into our bloodstream.

想像してください

The bubbles will move to the target areas.

泡は目的の部位に向かいます

But how do they know where to go?

しかしどうやって目的地を 見つけるのでしょうか

Because we placed a magnet there.

磁石を搭載してあるからです

For instance, this part of my hand.

例えば私の手のこの部分です

When the microbubbles move to this part of my hand,

微小な泡がこの部位に達したとき

we can pop it via ultrasound

泡を超音波ではじき

and release the drug exactly where it's needed.

薬を必要な部位で放出するのです

Now, I mentioned about the science of creating bubbles.

ここまでは泡を作ることについて お話ししました

But sometimes we also need to remove them.

しかし 泡を除去することが 必要な時もあります

That's actually part of my job.

それがまさに私の仕事です

My exact job title is "ink formulation scientist."

私の正確な職業名は 「インク調合科学者」です

But I don't work on the ink that you use for your writing pens.

しかし私はペン用のインクに 関わっているのではありません

I'm working on some cool applications

私が関わっているのは

such as organic photovoltaics, OPVs,

有機薄膜太陽電池 略してOPVや

and organic light-emitting diodes, OLEDs.

有機発光ダイオード 略してOLEDなどの クールな応用です

Part of my job is to figure out how and why we want to remove the bubbles

私の会社が製造するインクから 泡を取り除く方法やその理由を

from the ink that my company produces.

考え出すことも私の仕事です

During the formulation-mixing process,

インク配合物を混ぜる過程

or preparation process,

または準備の過程で

we mix active ingredients, solvents and additives

有効成分の溶剤と添加剤を調合したものが

in order to achieve the formulations with the properties we want

インクの使用上要求される性質を 達成するように

when the ink is being used.

混合します

But just like you would make drinks

しかし 飲物を作るときや ケーキの生地を作るときのように

or bake cakes,

it is unavoidable that some air bubbles will be trapped inside that ink.

インクに泡が入ってしまうのを 避けることはできません

Here, we are talking about a different space

ここでいう泡は私がパリで見た泡とは

from the bubbles I'd seen in Paris.

違う種類の泡です

The bubbles that are trapped inside those inks

このインク内に閉じ込められた泡は

vary between a few millimeters,

数ミリメートルから

a few microns

数ミクロン

or even a few nanometers in size.

もしくは数ナノメートルの大きさです

And what we are concerned about

泡の内部の

is the oxygen and the moisture that is trapped inside.

酸素と湿気が問題なのです

At this size scale, removing them is not easy.

このような大きさの泡を取り除くことは 簡単ではありません

But it matters,

しかし 重要なことなのです

for instance, for organic light-emitting diodes inks

例えば有機発光ダイオードのインク

that we can use to produce display for your smartphone, for example.

スマートフォンの ディスプレイに使われています

It's supposed to last for many years,

このインクは何年も持つはずですが

but if the ink that we use has been absorbed with oxygen and moisture

酸素や湿気が除去されずに混じっていると

[which] are not being removed,

then we can quickly see dark spots appear in the pixels.

まもなくピクセルに黒い点々が現れるでしょう

Now, one challenge we face in removing the microbubbles

さて 微小な泡を除去する際に難題となるのは

is that they are not very cooperative.

泡はあまり協力的でないことです

They like to sit there,

泡はインクに浸かって

bathing in the ink without moving much.

じっとしているのを好みます

But how do we kick them out?

どうやって追い出せるでしょうか？

One technology we use

１つの手段は

is to force the ink going through a thin, long and tiny tube

多孔性の細長い管に インクを強制的に

with a porous wall,

通すことです

and we place the tubes inside the vacuum chamber,

その管を真空槽の中に置きます

so that the bubbles can be squeezed out from the ink

そうすることで 泡はインクから絞り出され

and be removed.

除去されます

Once we manage to remove the bubbles from the ink that we produce,

泡をインクから除去することに成功したら

it is time for celebration.

お祝いをしましょう

Let's open a bubbling champagne.

泡がいっぱいの シャンペンを開けましょう

Ooh, this is going to be fun!

うわーワクワクします

(Laughter)

（笑）

Woooo!

うわー！

(Applause)

（拍手）

You could see a lot of bubbles rushing out from the champagne bottle.

シャンペンのボトルからたくさんの泡が 噴き出すのが見えますね

These are the bubbles filled with carbon dioxide,

これらの泡は二酸化炭素でできていて

a gas that's been produced during the fermentation process of the wine.

ワインの発酵過程で生成されます

Let me pour some out.

グラスに注ぎます

I can't miss the chance.

この機会は逃せませんから

I guess it's enough.

これで十分かな

(Laughter)

（笑）

Here, I can see a lot of microbubbles

たくさんの微小な泡が

moving from the bottom of the glass to the top of the champagne.

グラスの底から表面へと 浮かび上がるのが見えますね

Before it pops,

泡がはじける前に

it will jet tiny droplets of aroma molecules

微小な香りの分子を発散し

and intensify the flavor of champagne,

シャンペンの風味を強めるので

making us enjoy much more the flavor of champagne.

いっそう風味を楽しむことができます

As a scientist who is passionate about bubbles,

泡に情熱を注ぐ科学者として

I love to see them,

私は泡を見ることも

I love to play with them,

泡で遊ぶことも

and I love to study them.

泡について学ぶことも大好きです

And also, I love to drink them.

もちろん 泡を飲むのも大好きです

Thank you.

ありがとうございます

(Applause)

（拍手）