シャンパンの魅力的な泡の物理

コルクのポンという音、注ぐときのシュワシュワという音、そしてシャンパングラスで乾杯するカランという音は、世界の多くの地域でお祝いの材料となっています。シャンパン自体は古代ローマにまで遡りますが、この飲み物の現代的形態における最大の進歩は、19世紀にフランス北東部のシャンパーニュ地方の聡明な3人の女性によってもたらされました。

現在、科学者たちは、喜びの小さな泡が一直線に上向きに泡立つ理由を解明し、シャンパンの泡の歴史に新たな一章を加えている。

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5月3日にPhysical Review Fluids誌に発表された研究で、研究チームは、シャンパンやその他のスパークリングワインの安定した泡の連鎖は、界面活性剤と呼ばれる石鹸のような化合物に似た働きをする成分によって発生することを発見した。界面活性剤のような分子は、液体と気泡の間の緊張を緩和し、滑らかに上へ上昇するのを助ける。

この新しい研究では、チームは 4 種類の炭酸飲料について数値実験と物理実験の両方を実施し、泡の連鎖の安定性を調査しました。飲料によって、流体力学は大きく異なります。たとえば、シャンパンやスパークリング ワインの気泡は、小さなアリのように一列に並んでグラスの上部に急速に上昇し続けるように見えます。そして、しばらくその状態が続きます。ビールやソーダの場合、気泡は横に逸れ、泡の連鎖はそれほど安定していません。

泡の連鎖を観察するため、研究チームはペレグリノの炭酸水、テカテビール、シャルル・ド・カザノーブのシャンパン、ブリュットと呼ばれるスペイン風のスパークリングワインなどの炭酸飲料をグラスに注いだ。

次に、小さな長方形のプレキシガラス容器に液体を充填し、ガスを送り込んでさまざまな種類の泡の鎖を作りました。徐々に界面活性剤を追加したり、泡のサイズを大きくしたりしました。その結果、大きな泡は界面活性剤がなくても安定することがわかりました。界面活性剤のみを追加して泡のサイズを一定に保つと、鎖は不安定なものから安定したものへと変化しました。

著者らは、泡の安定性は実際には泡自体のサイズによって影響を受けることを発見しました。大きな泡を含む連鎖は、汚染物質を含む泡のそれと似た航跡を持ち、それが滑らかな上昇と安定した連鎖につながります。

「シャンパンでは界面活性剤として働くこれらの不純物が善玉であるという理論です」と共同執筆者でブラウン大学のエンジニアであるロベルト・ゼニット氏は声明で述べた。「液体に風味と独自性を与えるこれらのタンパク質分子が、生成される泡の連鎖を安定させるのです。」

飲み物の中の泡は常に非常に小さいため、シャンパンに見られるようなまっすぐで安定した泡の連鎖を作るには界面活性剤が重要な成分となります。ビールにも界面活性剤のような分子が含まれていますが、泡はビールの種類によってまっすぐな連鎖で立ち上がったり、そうでなかったりします。セルツァーのような炭酸水の泡は、泡が流れの跡をスムーズに通過するのを助ける不純物がないため、常に不安定です。

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「この後流、つまり速度の乱れによって、泡は弾き飛ばされるのです」とゼニット氏は言う。「泡は一本の線になるのではなく、円錐状に上昇することになります。」

この研究結果は、流体力学の仕組み、特に泡の流れにおけるクラスターの形成についての理解を深めるものであり、経済的、社会的価値がある。2020年の世界の炭酸飲料市場は、2,216億ドルと驚異的な規模だった。

水処理施設やワイン製造における曝気槽のような、泡による混合を利用する技術は、泡がどのように集まるか、泡の起源、泡の出現を予測する方法をより深く理解することで、大きな恩恵を受けることができるだろう。これらの流れを理解することは、メタンと二酸化炭素が海底から湧き出る海洋浸透現象をよりよく説明するのにも役立つかもしれない。

「これは私が何年も取り組んできたタイプの研究です」とゼニット氏は語った。「ほとんどの人は海水浸透や曝気槽を見たことはありませんが、ソーダやビール、シャンパンを飲んだことがある人がほとんどです。シャンパンやビールについて話すことで、流体力学が日常生活で重要であることを人々に理解してもらうことが私たちの基本計画です。」