凍ったシャボン玉

気温が-5度を下回るとシャボン玉が凍り始める、という情報をキャッチしました。2018年のボストンの正月は記録的な寒さで・・・

-15度前後の日々を送っています。寒すぎます。どうせ寒いなら、外に行ってシャボン玉で遊ぼう、ということで公園で遊んできました（小学生か！）。

凍ったシャボン玉を撮影するのに重要な点は、
　・割れない膜
　・低い気温（できれば低い湿度）
　・風のない場所
　・黒い背景
です。


【割れないシャボン玉の作り方】
「シャボン玉が割れない」ということは、「『内側に吹いた空気の圧力』と『外側の空気の圧力』が釣り合っている」ということです。水の表面張力は大きいため、水の内部に空気を吹き込んでも、すぐに外側の空気によって押しつぶされてしまいます。そこで、水の表面張力を下げるために洗剤を混ぜます。シャボン玉の膜のコントロールについては、近畿大学の記事（日本語はコチラ）が参考になります。シャボン玉の形成プロセスについてはコチラ。この表面張力をうまく利用すると、空気中だけでなく水中にも玉をつくれます（コチラ）。

割れないシャボン玉を作るのに必要なのは主に以下の3つです。

1. 界面活性剤：表面張力が下がり、大きな玉が作れる。
2. グリセリン・ショ糖：水分の蒸発による割れを防ぐ？膜の柔軟性を上げる？
3. ポリビニルアルコール（PVA）：粘性（機械強度）を上げ、割れ難くする。

①同じ大きさ(半径R)の玉の場合、表面張力（γ）が低い方が、玉の外側(Pout)と内側(Pin)の空気圧の差(Δp)が小さくなるため、玉が安定しやすくなります（Δp = Pin - Pout = γ/R）。つまり、界面活性剤をいれることで表面張力が下がり、玉が割れ難くなります。見方を変えると、同じだけの空気圧を吹き込んだとき、玉のサイズが大きくなりやすいとも言えます。遊ぶ場所の気温と湿度に応じて、石鹸・洗剤（界面活性剤30%以上）を混ぜる適量を探るのがいいようです。

②たとえ玉の外側と内側の圧力が一定に保たれていても、玉をつくる膜の水分は時々刻々と蒸発しており、膜が薄くなっていきます。水分の蒸発防止には、砂糖やはちみつを使えばいいそうです。また、ラム酒などのアルコールを混ぜれば、玉の膜厚が変わり、玉の色を綺麗にできる効果があるようです（コチラ）。

③水分が蒸発すると、界面活性剤やPVAが濃縮されます。高濃度のPVAは相分離し、玉の外側に保護膜を形成することで割れにくくする、という見解もあります。いずれにせよ、玉を割れにくくするために最重要なのが、この（洗濯糊に含まれる）PVAのようですが、アメリカのショップでは見当たりませんでした。あと、液中の不純物も玉が割れる原因になるため、洗剤などを混ぜる前に水を一度煮沸したほうが良いという意見があります。


【シャボン玉を凍らそう】

今回は、市販のシャボン玉溶液に少し洗剤を混ぜて試しました。少しですが、凍っていく様子が見えると思います。息を吹きかけた後にストローの口を塞ぐと良かったです。吹き続けると吐息が温かく、玉が凍りにくいからだと思います。また、玉が大きいと風の影響を受けやすく、膜も薄くなるので割れやすかったです。

シャボン玉が凍っていく様子をよく観察すると、

1. 凍るときに六角形の結晶が見える
2. シャボン玉が回転しているように見える
3. 様々な場所から凍っている
4. 最終的にはしぼむか、一部が割れる

ことが分かりました。このメカニズムについて、ちょうど昨年、バージニア工科大が報告していました。詳細はコチラ。分かりやすい解説動画は下の通りです。

①今回のように温度が比較的高い時の結晶は六角形になり、より低温（-15度前後）であれば樹枝状になるようです。氷の結晶についての詳細は北大の記事が参考になります。ちなみに、一昨年、カルテクが人工的に氷の結晶を作ることに成功しています（コチラ）。

②液体から固体に相変化する時、融解熱が放出されます。結晶化した場所に近い部分は温められ、他の場所に比べて表面張力が低下します。生じた表面張力差により、暖かい場所から冷たい場所への流れ（マランゴニ対流）が生まれ、玉が回転しているように見えるようです。

③色んな場所から凍っているのは、不純物が入っているからかもしれません。不純物を核に結晶化が進んでいると考えられます。より温度の低い地面に接している場合は、地面側から凍っていきます。時間とともにそれぞれの結晶が徐々に大きくなり、結晶核同士が融合し、膜が完全に固体になります。

④膜が凍ると体積が大きくなるため、シワシワになります。玉が地面に接していると、内部の空気が外部よりも冷えるため、割れて空気が内部に流れ込みます。温度や湿度、シャボン玉溶液によって毎回凍り方が変わるので、見ていて飽きません♪