マヨネーズと牛乳の科学 水と油は溶けないけど、混ざった状態にすることができる

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    理系ネタです。

     

    水と油は混ざらないと言われますが、これには少し誤解があります。水と油は溶けない、がおそらく正しい表現です。なぜなら、牛乳やマヨネーズは水と油が混ざったものだからです。

     

    ドレッシングは水と油が分かれていますし、しっかりと振ってサラダにかけて使ったとしても、容器をそのまま置いておくと自然と分離してきます。でも牛乳やマヨネーズではそれが起こらない、なぜでしょうか。

     

    この秘密は 乳化、界面活性剤、エマルジョン というキーワードで説明することができます。

     

    単に水と油を混ぜると自然と分離しますが、水と油の仲介役である界面活性剤(乳化剤ともいう)と呼ばれるものを入れて上手に混ぜてやると分離しなくなります。このような操作を乳化と言います。

     

    界面活性剤は水にも油にも溶ける構造を持つ化合物です。洗剤も界面活性剤が主成分であり、水にも油にも溶ける性質を利用して油汚れを落としています。

     

    本来、水と油が混ざった状態は不安定な状態であり、各々集まろうとするのですが、界面活性剤が存在することで水と油が混ざった状態が安定になります。界面活性剤の油に溶ける構造の近くに油が、水に溶ける構造の近くに水が集まるため、界面活性剤を挟んで安定な状態を形成できます。牛乳を例にすると、水の中に細かい油の粒子が浮いたような状態になり、絵で書くとこんな感じになります。

    (油の粒子は体積に対して表面積を一番小さくしようとするため、球状になります。)

     

    このような構造をエマルジョン(エマルション)と言います。

     

    これは溶けている状態と何が違うのか、と言われるといろいろと違います。

     

    まず第一にエマルジョンは最も安定な状態ではないということです。いずれ乳化された状態がなくなり、水と油に分離してしまうのです。マヨネーズも熱をかけると水と油に分離してくることは有名で、ポテトサラダを作るときはポテトを冷やしてからマヨネーズを入れるのはマヨネーズが分離して美味しくなくなるからです。あと、マヨネーズを冷凍しても水と油に分離します。エマルジョンは温度管理が重要です。

     

    では、安定な状態じゃないのに何で牛乳やマヨネーズはなかなか分離してこないのか、という疑問もありますが、これは速度が遅いというだけです。実際に世の中には一番安定な構造じゃないけど、普通に存在しているものがいっぱいあります。

     

    例えば、ダイヤモンドと黒鉛の関係がこれに当たります。

    黒鉛とダイヤモンドはどちらも炭素のみからなるものなのですが、実は黒鉛の方が安定な構造なのです。しかしながら、ダイヤモンドが黒鉛になったところを見たことがありません。これは難しい言葉で言うと速度論的に非常に安定であるという説明ができます。簡単に言えば、ダイヤモンドが黒鉛になるスピードはとてつもなく遅いので、ダイヤモンドが黒鉛になることはない、ということです。

     

    次に溶けている状態と違う点として見た目が違います。

    砂糖水は透明ですが、牛乳は白色です。これはエマルジョンと光の性質によるもので、チンダル現象と呼ばれています。ある程度の大きさの粒子になると光が散乱という現象を起こすようになります。この性質で光が透過せず反射している状態になるため、白く見えるわけです。砂糖を水に溶かしたものはショ糖という分子が分子一つ一つが水の中に分散している状態で、粒子状のものが水の中に存在していないため光の散乱が起こらず、透明に見えるのです。

     

     

    水(または油)に溶けないものをうまく混ぜこむ技術は非常に重要で様々な分野で活用されてます。上で紹介したマヨネーズ以外にもハンドクリームやシャンプー、洗顔料といったものもエマルジョンで、実は日常生活で使っているものは乳化という技術がいろんなところで使われているのです。普段使っているものも、使われている技術はどんなものなのだろうか、と見方を変えると少し面白く見えてくるかもしれません。

     


    炭素繊維は空を飛ぶ B787の50%は複合材で出来ている

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      ブログタイトルに"炭素繊維は空を飛ぶ"というワードを入れているのは、ボーイング社製 B787に炭素繊維複合材という先端材料が非常に多く使われていることに由来しています。特に胴体や主翼はほとんど複合材で出来ており、これまでの飛行機とは一線を画す設計になっています(従来はアルミニウム合金などの金属材料が使われていたが、B787では機体全体で複合材が50%程度使用されている。)。B787に使われている複合材は日本のメーカーが供給に大きな役目を果たしています。

       

       

      炭素繊維複合材は炭素繊維強化プラスチックやCFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics)などと呼ばれる材料で、強化材に炭素繊維を用いた繊維強化材料です。

      繊維強化材料って何か、ほとんど聞いたことにない言葉ですが、実はガラス繊維を使った繊維強化材は浴槽などに利用されています。他にも住宅用の建材にも使用されていたりと、身の回りに気づかぬうちに使われている材料だったりします。

       

      繊維強化複合材は繊維で樹脂などの材料を強化する(一般的に強化される側の材を母材と呼びます)、という意味合いです。

      浴槽を例にとると、強化材はガラス繊維、母材は不飽和ポリエステルと呼ばる樹脂(プラスチック)という組み合わせです。

      (人工大理石系の浴槽はアクリル系の樹脂です。)

      浴槽を見ても繊維が入っているように見えますが、これは表面が塗装されているためです。

       

      そして炭素繊維を強化材として使用したものが炭素繊維複合材になります。

      なぜ、B787に炭素繊維というものが使用されたか、という理由ですが、炭素繊維は軽くて非常に強い材料だからです。

      重量当たりの強度は鉄の10倍、硬さ(剛性ともいう)は7倍と非常に軽量で強い材料であることが分かります。

      (強度は壊れにくさ、硬さは変形のしづらさ、という意味です。)

      他に金属材料と異なる点として、錆びない、疲労しない、という特徴があります。

       

      wikipediaの記事を参考にリンクとして載せておきます。

      炭素繊維 Wikipedia

       

       

      B787には、エポキシ樹脂と呼ばれる材料を炭素繊維で強化した炭素繊維複合材が使用されているそうです。日本の炭素繊維メーカーである東レはB787に使用されている炭素繊維を製造し、さらにプリプレグと呼ばれる炭素繊維にエポキシ樹脂を浸み込ませたシートも製造し、ボーイング社に供給しています。

       

      この炭素繊維とエポキシ樹脂を組み合わせたプリプレグのシートを何枚も積層していき、オートクレーブと呼ばれる窯で加圧しながら加熱することでエポキシ樹脂を硬化させて、主翼や胴体などの部材(炭素繊維複合材)を作ります(一般的に成型と呼ばれる工程)。この成型の工程を川崎重工業、富士重工業、三菱重工業が行っており、炭素繊維複合材に関する工程で多くの日本のメーカーが関わっています。

       

       

      この炭素繊維複合材を使用したことでB787では様々な恩恵が得られています。

       

      一つは、軽量で強さに優れる複合材を使用することで燃費の向上が実現しています。

      これに関してはジェットエンジンの改良による部分もあるのですが、燃費は20%程良くなったと言われています。飛行機は燃料を非常に多く消費するため、燃費改善はコスト面でも地球環境からの面でも非常に重要です。また、燃費が良くなるということは同じ燃料の量を積んだ際に遠くまで飛べる(航続距離が長い)ため、遠隔地への直行便が飛ばせるメリットがあります。

       

      二つ目は機内湿度の向上です。

      従来では金属材料が使われていたため、金属の腐食を抑えるために機内の湿度を数%にまで下げていました。しかし、炭素繊維複合材を使用したことで腐食の心配がなくなり、機内湿度を20%程度まで上げることができるようになり、機内の環境が改善しました。

       

      三つめは胴体の硬さ(剛性)が向上したことで与圧アップと窓枠が大きくとれるようになったことです。機内の与圧を上げることで、地上との気圧差が小さくなり、耳が痛くなったりといったフライトでの不快感を低減できます。また、窓枠を大きく取れることでフライト中の眺望が良くなり、さらに窓側だけでなく通路側からからも外の様子が見やすくなります。

       

       

      B787では日本の技術である炭素繊維複合材が積極的に使用されており、これによって客室環境の向上や燃費の向上につながっているのは嬉しい限りです。残念ながら、私はまだB787に搭乗したことがないため一度は乗ってみたい機体です。皆さんもB787に乗る際は日本の技術が使用されている胴体や主翼の違いを見ながら、搭乗されてみてはいかがでしょうか。

      以上、炭素繊維複合材とB787の紹介でした。

       

       


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