バブルの中の科学

ハワード・ストーン教授は、12月18日に開催された毎年恒例のSEASホリデーレクチャーで、気泡の形成に関わる科学について説明した（写真提供：Eliza Grinnell/SEAS Communications）。

ペーパークリップを水の入ったグラスに落とすと、すぐに底に沈みます。 しかし、同じペーパークリップを水面にそっと置くと、浮き上がります。

ペーパークリップの動作が異なるのはなぜですか? 対照的な結果は表面張力によって引き起こされる、とハワード・ストーン教授は12月18日にジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院で行われた第15回年次休日講義で説明した。

水の分子は空気の分子よりも互いに引力が大きいため、水と空気の界面で表面張力が発生し、液体の表面全体に内向きの力が働き、液体は薄い膜で覆われているかのように動作します。

このペーパークリップの実験は、ハーバード大学の元教員で現在はプリンストン大学の機械航空宇宙工学のディクソン教授であるストーン氏が、数百人の地元の子供たちとその保護者に科学の力を示すために活用したいくつかの対話型デモンストレーションのうちの 1 つでした。

ストーン氏は、研究助手のダニエル・ローゼンバーグ氏とともに、泡を吹いたり、水風船を割ったり、水とエタノールの液滴の大きさを比較したり、糸を水面に浮かべたり、アメンボが動いている様子のスローモーションビデオを見せたりした。表面張力の影響を説明します。

ストーン (左) とローゼンバーグは水風船を割って、落下する水の形状に表面張力と重力がどのような影響を与えるかを示しています。 (写真提供: Eliza Grinnell/SEAS Communications。)

ほんの数滴の石鹸を水に加えると、ストーンの実験でペーパークリップが水槽の底に落ちてしまうため、その表面張力が破壊されます。

水の表面に形成される石鹸の膜は、力がどのように界面に独特の特性を生み出すのかを示すもう一つの例である、とストーン氏は説明した。 石鹸の分子は親水性成分と疎水性成分で構成されています。 疎水性成分は水分子を突き抜けて逃げ、液体の薄い層によって分離された 2 列の石鹸分子からなる膜を形成します。

「私たちは石鹸膜を綱引きのようなものだと考えています」と彼は言う。 「映画全体がプレッシャーにさらされていて、引っ張られているんです。」

聴衆の子供たちは、この化学プロセスを説明するよう求められました。 講堂の前では、疎水性または親水性のラベルが貼られた石鹸分子の役を演じるTシャツを着た子供たちが、水分子を表す青いシャツを着た子供たちの両側に並んでいた。 手を握りながら人間石鹸のフィルムが講堂の前を蛇行し、席にいた保護者らから歓声が上がった。

ストーンは子供たちに石鹸の膜を形成する演技を指示します。 (写真提供: Eliza Grinnell/SEAS Communications。)

9 歳のレイチェル・リューにとって、化学反応を演じることができるのが講義の最も楽しい部分でした。 彼女は、石鹸分子の親水性成分と疎水性成分について学ぶことに特に興味を持っていました。

「科学は私たちの周りの世界について多くのことを教えてくれます」と彼女は言いました。

ストーン氏のプレゼンテーションを聞いた後、8歳のウォルター・ホップウッド君は、もうシャボン玉を当たり前のこととは思わないと語った。 彼は、ストーンとローゼンバーグが各プロセスを説明するために「クールな実験」を使用した方法に感銘を受けました。

子どもたちに科学原理の基本的な理解を与え、好奇心を持ち続けるよう促すことが講義の目標だとストーン氏は語った。 彼は、1890 年に出版され、現在も印刷されている本「シャボン玉」からインスピレーションを得ました。 この本は、英国の物理学者チャールズ・バーノン・ボーイズが 1800 年代後半にロンドンの家族に行った、石鹸膜の特性に関する公開講義のコレクションに基づいています。

「子供たちには、常に学ぶべきことがたくさんあるということを理解してほしいと願っています」とストーン氏は語った。 「質問をし、深く考え、自分なりの観察を続けてください。世界には魅力的なものがたくさんあります。」

9 歳のグレース・リューさんは、ストーンさんが水面を移動するアメンボのビデオを再生するのを熱心に見ています。 (写真提供: Eliza Grinnell/SEAS Communications。)

SEASとプリンストン大学工学応用科学部が共同で開催したこのホリデーレクチャーは、ハーバード大学材料研究科学工学センター（MRSEC）、プリンストン複合材料センター、プリンストン大学MRSEC、プリンストン大学の後援により行われた。材料科学技術研究所。

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アダム・ゼヴェ | 617-496-5878 | [email protected]