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2017年 08月 19日 (土)

無重力の研究を始めたきっかけ



無重力の研究を始めたきっかけ

―結晶成長と無重力実験を組み合わせたきっかけについて、もう少し具体的に教えてください。

 最初は、シベリア産のきれいなダイアモンドが、どうしてできるのだろう?と調べていました。当時は、水溶液の中で結晶をつくっていました。そして、溶液中の対流が、結晶成長の品質や成長速度に大きな影響を与えていることがわかってきました。

 つまり、今までわからなかったことが対流のせいだったということがわかってきたのです。そこで今度は「では対流を抑えたら、どういうことができるのだろう?」と考え始めました。それが無重力の研究を始めたきっかけで、1983年頃のことです。


【写真】キララ・プロジェクトの装置

 写真が、「キララ」計画の装置です。実際にはチャレンジャー事故で飛ばなかった装置ですね。直径45cm高さ75cmのドラム缶に入る大きさですから、とても小さいのです。これで結晶表面や濃度分布を見ることができます。

 では、結晶表面を横から見たら、どういう風になるだろう。地上であれば、対流がふらふらと起こるので、濃度分布が変動し、むらができます。

 この対流があるために、良いことも悪いこともあるのですが、けっこう悪いことがあるのです。そのため、対流を抑えれば良い結晶ができますよというのが基本的な考えです。けれども実際にやってみなければわからないですね。「キララ」はそれができるような装置です。

 結局、「キララ」はチャレンジャー事故のため飛びませんでしたが、それがきっかけで、NASDAやメーカーさんと一緒に宇宙実験のための、結晶成長と流体の実験装置をつくりました。それが(宇宙における)結晶成長や流体の日本の研究のスタートかもしれないですね。


理論と実験の対比を計算で出すために

―実際に対流がないと、宇宙で結晶はどうなるのですか?

 まず一つは、結晶成長する時に対流があれば、分子が運ばれるので、結晶成長速度は速くなると考えられます。反対に、対流がなければ、なかなか分子が動いてこないので、結晶の成長は非常に遅いだろうと考えるわけです。

 次に大事なことは、対流があると、結晶の近くの濃度が時間とともに、ふらふらと変動します。そのため一定の条件で実験することができないのです。つまり、ある意味では(対流は)良いのかもしれないのですが、実験上困るようなことがいくつかあるのです。

 それを無重力でやれば、対流を抑えることができますね。対流を抑えることができれば、そうすると拡散だけなので、計算だけで濃度の時間変化を出せるわけです。理論と実験の対比を、計算で出せることは非常にありがたい話なのね。

 例えば、ヒーターだってそうだよね。風を送れば熱はすぐ伝わるけれども、流れが全然ないと熱はなかなか伝わってこないでしょう。熱やものが運ばれる上で、対流は非常に大事な働きをしているのです。

 けれども、その結果として、対流は安定ではないのです。ふらふらしている。だから、結晶の成長速度の変動があったり、むらがあったりするのです。それを防ぐために無重力を使おうというのが、けっこう大きな理由なのです。きっかけはそうなんですけどね。


実際に測ってみたら、予想外の結果に

 ただ、そこ(理論と実験の対比を計算で出せること)までは良いのですが、予想と大きく違ったところは、「対流がなければ成長速度が遅くなるだろう」という予測の方だったのです。

 誰だって予想では、対流が抑えられるから当然遅くなるだろうと思っていました。ところが実は、つい最近、実際に測ってみたら、そうじゃなかったんですよ。これもそろそろ論文に出る頃なのですが、実は速いのです。これもおもしろいことですね。ふふふ(笑)

―なぜ対流が抑えられたのに、結晶の成長速度は速くなったのでしょうか?

 まだちゃんとした答えは出てこないのですが、溶液や結晶は決して100%の純度ではなく、何かしら不純物が入っているのです。不純物は、結晶の成長速度を抑えます。物理的に阻害するわけですね。

 無重力では、分子も来ませんが、実は不純物も来ないのです。ですから、溶液自体が汚くても、結晶表面近くではきれいなのです。ですから成長速度は速くなるというのが、今の我々の考えですね。それも今までの常識を覆すことなのです。

 対流を抑えれば結晶成長が速くなるなんて、誰も予想していませんでした。理論的に考えると、対流を抑えれば成長速度は遅くなるのです。けれども、実はそうじゃないところが、やっぱりおもしろいところでしょう。やはり測ってみないと、わからないのです。


わかったことは、いろいろな道につながる

 そのようなことがわかることは、いろいろな道につながるのですよ。例えば天然の結晶は、ガラスのない時代、教会の窓ガラスなどに使われていました。 天然の結晶は不純物などが多い、つまり、汚いところでできたのですが、そのガラスを測ってみると、実は今のガラスよりも透明度が高いのです。

 今回の発見は、「なぜ汚い天然の溶液からきれいな結晶ができるのだろう?」ということを考えるきっかけにもなりますね。さらに、汚い溶液でも結晶表面に到達するまでに何かきれいになるような操作をすれば、良い結晶ができるはずだとも考えることができます。

 例えば半導体の世界では、溶液を一生懸命精製して汚いものを取り除き、きれいにしてから結晶をつくるのが基本でした。けれども、汚い溶液からきれいな結晶をつくる方が手間暇がかかりませんね。そのような方法を考えるきっかけにもなるわけです。

 また、これまで宇宙で実験をやりましょうと盛んにスポンサーがついたのは、例えば、タンパク質の結晶をつくり、エイズの特効薬などができたりすれば、買う人がたくさん出てくるわけですね。

 もし不純物が来ないような操作をすれば良い結晶ができるとするならば、別に宇宙に行かなくとも地上で結晶ができるわけですね。汚いところからきれいなものをつくることは、そういったところにも道がつながるでしょう。


地上では重力によって何かの現象が隠されている

 逆に言えば、ほんのわずかな不純物が、結晶成長の速度や品質にこれほど影響を与えていることは、あまり考えていなかったわけです。後から考えれば当たり前のことなのですが、そのようなことがいろいろなところでわかるというのは、やっぱりこれまで宇宙実験をして、そこから考えてみて、結論として得られることなのです。

 「重力がないとどうなるか?」「流れがないとどうなるか?」「浮いているとどうなるか?」「ものが沈降しないとどうなるか?」そういうものをうまく利用することによって、新しい実験ができるようになるんですよね。

 我々は、対流が存在する中での結晶成長のメカニズムは良く知っています。けれども無重力にしてみたら、流れをなくしてみたら、どうなるかということは、推測はできるけれども、やってみなければわからないことがたくさんあるんですよね。

 地上では、常にある重力によって、何らかの現象が隠されているのです。ですから、その重力を取り除いてみたら、別の力が非常に重要だということがわかってくるのです。


宇宙は表面張力が支配する世界

【動画】無重力ではペットボトルの中に入った水はどうなるかを実験した時のようす

 例えば、地上ではあまり気にしなかった表面張力が、宇宙ではすごく効くという話になってくるわけです。これは毎年やっている飛行機実験のようすです。一般に無重力と言われる「微小重力空間」が約20秒間生じます。

 これは中学生が行った実験なのですが、ペットボトルの中の水も、宇宙だったら浮くと思うよね。けれども、水は浮くんじゃなくて、壁面に沿って引っ張られるのです。同時にペットボトルも引っ張られているのです。

 比較のため、壁面にテフロン加工を施したペットボトルでは、水は引っ張られないのです。これにより、宇宙では表面張力が効いてくることがわかるんですね。浮くのではなくて、表面張力が支配するから、引っ張られるということです。

 例えば、理科で「メスシリンダーの目盛を読みなさい」という問題があるでしょう。あれは、表面張力で引っ張られていて、重さがあるところで、ちょうど吊り合っている状態なのです。


コンドリュールはたった1秒で結晶化する

【動画】ガスジェット浮遊法を用いて行なったコンドリュール結晶化実験のようす

 これも、おもしろい実験です。ピンポン球を空気で浮かせるような遊びがあるよね。それと同じように、これはガスジェットで球を浮かせているのです。接触していないから結晶化しづらいのね。この球は、さっき話したコンドリュールです。

 そして、これを冷やすと単純に暗くなって固まるかと思ったら、いったん暗くなって、突然、パッとまた明るくなるのです。

―なぜ途中で明るくなるのですか?

 それが大切なことで、結晶化の「潜熱」ってあるよね。結晶化するとき、つまり結合ができるときに「潜熱」といって、熱を出すんです。それがとても急速な結晶化だから、こんなに明るくなるくらい熱を出すんですね。

 そして時間とともに温度をずっとプロットしていく(グラフを作成する)と、1000℃くらい下がっているんです。ここであっという間に結晶化するのです。今まで、人によっては10万年とか1万年、あるいは1年と言っていたことが、僕らの実験では1秒なのです。


冷めた砂糖入りコーヒーは再び温まるか?

 潜熱について身近な例を挙げると、冷蔵庫で氷をつくると、コンビニの氷は透明なのに、家庭の氷には"す"が入っている(不透明)でしょう?あれは結晶ができた瞬間に出てきた潜熱が、まわりをちょっと溶かすためにできるのです。ですから、もっと急激に低い温度でつくるとか溶けたものをガスで追い出すとか、少し手間暇をかけると綺麗な氷ができるのですね。

 よくこのような質問を高校生にするんです。「砂糖をたくさん溶かした温かいコーヒーが、冷めてきました。そして砂糖が再び結晶化したとき、熱が出ますよね。では、冷めたコーヒーは再び温まるでしょうか?」

 高校生に質問すると、「経験上そんなことはないよ」と約8割は答えるけれども、なかなか答えられないですね。実際には、温度は上がっているんですよ。

 ただし結晶はゆっくりと成長するから、熱は出るけれども、すぐに逃げちゃうんです。一方で、先ほどのコンドリュールの話は、瞬間的に熱が出るため、熱が逃げる暇がありません。その違いなのです。


宇宙でシャボン玉をつくるのは大変

【動画】無重力でシャボン玉を膨らますとどうなるか実験した時のようす

 宇宙でシャボン玉もつくってみました。宇宙ではけっこうつくるのが大変なんです。そもそもどうしてシャボン玉ができるかというと、垂れたシャボン玉液に空気を送り込むから膨らむわけです。

 けれども実際にやってみたら、先ほどのペットボトルの実験のように濡れ性(濡れやすさ)があるから、この状態で息を吹きかけても全然スカスカで、液がたらっと垂れるだけでした。考えてみたら当たり前なのだけど、シャボン玉はできなかったのです。

 そこで、どうしたらシャボン玉が膨らむかを考えてみました。シャボン玉液がストローを登ってこないよう、(ストローの)濡れ性を悪くしたんです。例えば、テフロンのコーティングをするとか油を塗るとか、水をはじくようなコーティングをするんですね。

 このように水が濡れて来ないようにすると、ストローの先端部分にしかシャボン玉液が来ないですね。この状態で空気を送り込めば、シャボン玉になります。これで何かの役に立つわけではないのですが、教育としてそういうことも考えられますね。


無重力でシャボン玉はどう割れるか

 そもそもシャボン玉の膜も、結晶なんですよ。シャボン玉の膜の構造は、まず水の膜があって、その両側を界面活性剤がサンドイッチしている状態なわけです。地上では、流れとかいろいろあるので配列はでたらめになるけれども、無重力でやると流れがないから、結晶と同じようにきれいに配列されるはずだよね。

 だとすると、シャボン玉が割れる時、無重力では直線状に割れるはずだよね、ということを考えたわけです。だったらやってみようということで、直線状に割れるかどうか無重力で試してみました。飛行機実験のメイン実験の間にやってみたのです。

 まず地上だったら、上と下で膜の厚みが違うから、干渉色が違うでしょう?重力があるから、下の方が厚くて上の方が薄いわけです。一方で無重力だったら、すべて均一の厚みになります。

 シャボン玉が割れる時、まず地上だったらどうか。そして無重力では直線状に割れるのか?これはビデオがあるので、見てみてください。

【動画】重力と無重力でシャボン玉の割れ方を比較した実験のようす

 無重力では、シャボン玉は直線状に割れるでしょう?どういう風に割れるかも、けっこうおもしろいよね。無重力だったら、シャボン玉は割れるか、それとも割れないのか。考え方としては大したことないけれども、教育的にはおもしろいよね。

 シャボン玉って、「なぜ膜ができるのだろう?」「なぜ割れるのだろう?」。それ自体にあまり意味はないかもしれないけど、よく原理を考えてみるんです。

 すると、それが別のよい結晶をつくるのに役立つかもしれないし、あるいは何か応用のヒント、例えば薬を飲んだ時にどのように溶けて体内に吸収されていくかのヒントになるかもしれない。そこからいろいろなことが考えられるんですね。


やりたいことはいっぱいある

 例えばインクにしても、昔は(印刷物を)ちょっと触ると手にインクがついたけど、今は手につかないよね。あれも結晶成長なんですよ。

 シャボン玉と同じように、今のものはインクの色素がきれいに瞬間的に配列するわけです。バラバラだったら溶けやすいでしょう?けれども、きれいに配列するので溶けないのです。インクだって結晶成長そのものなんだよね。

 これも「なんでインクは手につかないのだろう?」という小さい頃に感激した疑問です。国鉄の時代は切符のインクが手についていたのですが、JRになってしばらくすると手につかなくなって、あれはすごいと思ったんです。

 それと今ね、うちの4年生の学生が、ザリガニを研究しているんですよ。なぜザリガニなのか?貝殻は炭酸カルシウムでできているのですが、海にはカルシウムイオンが豊富にあるよね。だから海にいる生物は、脱皮をすると、殻は捨てちゃうんです。

 けれどもザリガニは海にいないでしょう?カルシウムをなかなか取れないんです。だからザリガニは、脱皮するんじゃなくて、殻を溶かして胃の中で蓄えて、もう一回結晶にして再利用するんだね。ザリガニは、うまい省エネをしているわけです。その原理を知りたいよね。

 自然の姿って、やっぱり省エネなんだよね。例えば、炭酸カルシウムには方解石があるけれども、自然界では1気圧でできるのに、人間がつくる場合は圧力をかけなければできません。高圧にするためにはエネルギーが必要だよね。

 自然界は、省エネでうまくできているんです。ですから自然の世界に習うことがわんさかあるんだね。やりたいことはいっぱいあるし、知りたいことはいっぱいあるんです。


結晶はどこでできたのか?

 それで今、どちらかと言うと遊びに近い話なのですが、界面活性剤でサンドイッチしたような膜の中で、薄い結晶をつくろうとしているのです。

 界面活性剤でサンドイッチした膜の中に、食塩水の膜を張っておくわけ。普通は、5mmくらいのサイズの食塩をビーカーの中でつくろうとすると、一晩はかかってしまうんだね。それが薄い膜の中では、ほぼ1分くらいで、ぱっと薄い結晶ができるんです。

【動画】膜の中で薄い結晶をつくる実験のようす

―なぜそれほど短時間で結晶ができるのですか?

 固いものに接触していると、固いものの影響で結晶が歪んだりするのだけど、歪むと結晶は成長しようとしなくなるわけ。けれどもシャボン玉の膜は界面活性剤だから柔らかいよね。だから割と、自由に発達して伸びることができるのです。それと同時に、膜をつくると表面積が広がり、蒸発速度が速くなる効果もあります。

 それから、もうちょっと詳しく話すと、「結晶はどこでできたのか?」という話なのね。ちょうど輪っか(壁面)のところで結晶はでき始めて広がっていくのです。ここにすごく意味があってね。

 地上だったら、例えば容器があると壁面があるよね。壁面と液体が接しているところから結晶ができ始める。けれども、もし壁面がなかったら、結晶化はしにくいですよね。

 だから、冷やす過程で結晶化することを想定してみると、今までは容器があるから、すぐに結晶化がはじまってしまうんだね。普通(地上で)は(先述のコンドリュールは、メルティングポイントから)10℃くらい冷やしたところですぐに結晶化するんです。

 けれども宇宙では容器がないから、結晶化しようとするまでに、(コンドリュールは、メルティングポイントから)1000℃くらい下がってはじめて結晶化するわけね。だから結晶化が、すごく遅くなるのです。


宇宙には結晶化するきっかけがない

 容器など接触しているところがあれば、結晶化しやすくなる。けれども、宇宙の無重力の使い道は、浮いているから容器も何もいらない。何もないから、結晶化するきっかけがないわけですね。

 その例として良く使うのは、仙台付近に降ってくる雪です。雪の中心部をよく顕微鏡で見てみると、小さな埃が入っているんです。その埃は、北京の西にあるゴビ砂漠で舞い上がった黄砂、これは小さな粘土鉱物で結晶なのですが、それが偏西風によって日本上空まで来て、それが種となって雪の結晶ができて、地上に降ってくるのですね。

 ですから、種となるようなきっかけがあれば、雪の結晶はできるのだけど、そのきっかけがないと、いくら条件が整っていたとしても、結晶化は起こらないのです。その結果、雪は降ってこないという話になるんですよ。

 それと同じようなことで、結晶化には何かきっかけが必要です。けれども宇宙空間というのは、きれいだし、接触していないから、結晶化は起こりにくいのですね。

 地球上の博物館には、きれいな面をもった結晶がいっぱいあります。けれどもそれは地球上だから。宇宙空間に行けば、結晶はものすごくできにくいのです。宇宙では、ガラスしかできない状態。繰り返しになりますが、地上の常識と宇宙の常識は全然違うのです。浮いていると、地球のようにあんな形をもった結晶はできないんですよ。


次へ ゴールを定めながら、その時点でできる研究を進めていった



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