自然科学系

2019年4月11日

研究成果のポイント

・透明な模擬ギネスビールを作成し液体の運動をレーザーで計測
・コップに注いだギネスビールの泡が織りなす模様の発生を流体力学的に解明
・泡や粒子が関連する流れの理解促進や流れの制御に期待

概要

大阪大学大学院基礎工学研究科の渡村友昭助教、大学院生の岩坪史弥(博士前期課程)、杉山和靖教授、キリン株式会社の山本研一朗博士、四元祐子氏、塩野貴史氏らの研究グループは、コップに注いだギネスビールの泡が作り出す模様は、雨水が傾斜面を下降する際に現れる模様【転波:てんぱ※1】と同様に、コップの傾斜面を液体の塊が転がり落ちているものであることを世界で初めて明らかにしました。ギネスビールという黒ビールは窒素ガスが加圧封入されており、コップに注ぐとコーラや炭酸水に含まれる炭酸ガスの泡の1/10程度の微細な泡が発生し、また泡がコップの上から下へと移動する美しい模様(図1)が現れることが知られています。

これまでギネスビールの泡が作り出す模様の発生原因についていくつかのモデルが示唆されていましたが、模様の発生条件は特定されていませんでした。今回、渡村友昭助教らのグループは透明な「模擬ギネスビール」を作成し、レーザー誘起蛍光法※2を用いた粒子画像速度計測法※3や分子タグ法※4を用いた可視化実験により、今まで黒ビールの液体が不透明なために不可能であった液体の速度分布を精緻に計測することに成功しました。泡が模様を作る条件は容器の傾斜に強く依存することを示し、コップ内部に発生する泡の密度勾配により現れる、泡が少ない液体がコップの傾斜壁に沿って流れる際に、重力流の不安定波である転波の発達によって泡の模様が現れることを明らかにしました。この結果は、ビールに含まれる泡の運動を理解する以外にも、泡や粒子が介在する工業分野やタンパク質の結晶成長や細胞培養などのライフサイエンス分野における流れの理解と制御に役立つことが期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Scientific Reports」に、4月5日(金)18時(日本時間)に公開されました。

図1 ギネスビールの泡が織りなす模様
コップの内壁が傾斜している部分で泡が粗密の分布を自発的に形成されます。この模様は泡がコップの上から下へと移動する際に現れます。
(今回の論文の補足情報として、以下のリンク先で実際の動画を入手いただけます。
https://www.nature.com/articles/s41598-019-42094-0#Sec12

研究の背景・内容

ギネスビールという黒ビールに含まれる泡は窒素ガスによって作られているため、炭酸水やコーラなどの炭酸飲料と比べて寸法が1/10ほど(直径50μm程度)にしか成長せず、ゆっくりと浮上します。無数の泡が飲料中に長く留まるため、クリーミーな味わいを楽しめると同時に、泡の集団が織りなす模様を鑑賞することもできます(図1)。この美しい模様はビール愛好家以外にも、科学者達の心を惹きつけ、模様が発生する仕組みは現在までに諸説唱えられてきました。しかし、これらの説を比較すると泡が動く向きや模様が伝播する向きが異なっており、「ギネスビールの泡の模様」が発生する原因は、窒素入りギネスビールが登場してから半世紀以上も未解明となっていました。

ギネスビールは黒ビールであるために不透明であり、コップの中で泡やビールの液体がどのように運動しているか観察することが不可能でした。また、近年の目覚ましいスーパーコンピュータの発達をもってしても、小さな泡が膨大な数で存在する流れをシミュレーションするためには、大規模な計算を長時間行う必要があり、現代の計算科学でも超難問であると言えます。そこで、透明な「模擬ギネスビール」を作り、レーザーを駆使した最先端の計測法により実験的に流れを観察したのがこの研究です。

今回、渡村友昭助教らの研究グループは、中空ビーズと水を用いて透明な「模擬ギネスビール」を作りました。ビーズの直径と量を制御できることは、再現性の高い実験を行う上で有利です。蛍光発光するトレーサ粒子の動きを高速度ビデオカメラで撮影し、その動きから液体の運動を精緻に計測することを可能にしました。また、分子タグを用いることで、模擬ギネスビールの液体が非定常な運動をする様子を「見える化」することに成功しました。本手法を用いて様々な傾斜角度の容器に「模擬ギネスビール」を注ぎ、模様が発生「する」・「しない」条件を探し出しました(図2左)。流れを観察した結果、傾斜した壁面の近傍から約1ミリメートルの領域のみで模様が発生し(図2右)、鉛直な壁面の近傍では模様が発生しないことが分かりました。そして、傾斜壁面近傍では泡を含まない液膜(清澄層)が傾斜壁に沿って流れ落ちる様子を観察し、模様が発生している条件では泡を含まない流体塊が高速で落下する様子を捉えました。これらの結果、コップの傾斜角度が小さい(フルード数※5が大きい)時には模様が出現し、一方でコップの傾斜角度が大きい(フルード数が小さい)時には模様が出現しないことが分かり、模様の発生は重力流の不安定により生じる転波の出現により決定することを示しました。

図2 傾斜角度に対する模様の発生有無(左)および傾斜壁近傍における気泡の分布(右)
矩形容器の傾斜角度を変えた際に発生した模様の様子を表します。模様の黒い部分は気泡の少ない流体塊の出現に対応します。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)と展望

小さな物体は、様々な工業装置中の泡や粒子以外にも、河川から海洋へと流出する土砂や、湖沼に生息する微生物などを含め、自然現象中に広く存在します。このような無数にある物体を「均一に混ぜる」あるいは「一か所に集める」行為は、各種工業プロセスにおいて重要な要素であり、小さな物体がどの様に運動するかを理解・制御する必要があります。今後、この知見は工業装置や食品醸造装置、細胞や微生物の培養装置などの設計方策に活用されることや、容器内部で生じる流動現象に対する物理的な理解を進展させることが期待されます。

特記事項

本研究成果は、2019年4月5日(金)18時(日本時間)に英国科学誌「Scientific Reports」(オンライン)に掲載されました。

タイトル:“Bubble cascade in Guinness beer is caused by gravity current instability”
著者名:Tomoaki Watamura, Fumiya Iwatsubo, Kazuyasu Sugiyama, Kenichiro Yamamoto, Yuko Yotsumoto,Takashi Shiono
DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-019-42094-0

なお、本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金の助成を受けて行われました。

用語説明

※1 転波(てんぱ)
傾斜面を流れ落ちる液膜表面に生じる波のこと。典型的な例として、坂道や車の窓ガラスを流れる雨水の表面にみられる波が挙げられます。

※2 レーザー誘起蛍光法
蛍光物質にレーザー光を照射し、レーザーの波長と異なる波長の光(蛍光)を観察する手法のこと。本研究ではビーズが含まれる液体に蛍光トレーサ粒子を混入させ、液体の運動をビーズの運動と区別して計測しています。

※3 粒子画像速度計測法(PIV)
流体中に混入したトレーサ粒子の画像を異なる時刻で撮影し、二時刻間で移動した粒子の変位から、二次元平面内における流体の速度と方向を非接触で計測する方法のこと。ここでトレーサ粒子とは、微小かつ流体と近い密度の粒子であり、流体の動きに追従するようなものが選択されています。現在では流体の速度を時間的かつ空間的な分布を計測する一般的なツールとして広く用いられています。

※4 分子タグ法
液体に分子マーカをつけることにより、液体の運動を可視化する方法のこと。粒子画像速度計測法はトレーサ粒子を混入させる必要があり、流れを変えてしまう可能性があります。液体の運動を厳密に観察する際に用いられる手法です。本研究では水に溶解させた蛍光分子を退光させる「フォトブリーチング分子タグ法」を用いて流れの可視化を行っています。

※5 フルード数
流体の慣性力と重力との比を表す無次元数のこと。主に水面に生じる波の状態を表す際に使われます。フルード数が小さいと波が生じにくく、フルード数が大きいと波が生じやすい状態となります。

参考URL

大阪大学 大学院基礎工学研究科 流体工学グループ 杉山研究室
http://flow.me.es.osaka-u.ac.jp/index.html

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