毛細管現象

毛細管現象（毛細管運動、毛細管上昇、毛細管効果、または吸水とも呼ばれる）は、重力などの外部の力の助けなしに、液体が狭い空間を流れるプロセスです。

この効果は、絵筆の毛の間、ストローのような細い管の中、紙や石膏のような多孔質材料、粘土や液化炭素繊維のような一部の非多孔質材料、あるいは生物の細胞などで見られる。

これは、液体と周囲の固体表面との間の分子間力によって生じます。チューブの直径が十分に小さい場合、表面張力（液体内部の凝集力によって生じる）と液体と容器壁との間の付着力の組み合わせによって、液体が推進されます。

「毛細血管」という言葉は、ラテン語の「 capillaris 」（毛の、または毛に似た）に由来します。この意味は、毛細血管の直径が毛のように細いことに由来しています。

毛細管現象の最初の記録はレオナルド・ダ・ヴィンチによるものです。^{[ 1 ] [ 2 ]}ガリレオの元弟子であるニッコロ・アジュンティは毛細管現象を研究したと言われています。^{[ 3 ]} 1660年、アイルランドの化学者ロバート・ボイルにとって毛細管現象はまだ目新しいものでした。彼は「好奇心旺盛なフランス人」が毛細管を水に浸すと水が「管内の一定の高さまで」上昇することを観察したと報告しました。ボイルはその後、毛細管を赤ワインに浸し、その後管を部分真空にかけた実験を報告しました。彼は真空が毛細管内の液体の高さに目に見える影響を与えないことを発見したため、毛細管内の液体の挙動は水銀気圧計を支配する現象とは異なる何らかの現象によるものであると考えました。^{[ 4 ]}

他の人々もすぐにボイルの先例に倣った。^{[ 5 ]}中には、（例えば、オノレ・ファブリ^{[ 6 ]} 、ヤコブ・ベルヌーイ^{[ 7 ]}）空気は液体ほど容易に毛細管に入り込めないため、毛細管内の気圧が低くなり、液体が毛細管内で上昇すると考えた者もいた。また、（例えば、アイザック・ヴォシウス^{[ 8 ]} 、ジョヴァンニ・アルフォンソ・ボレッリ^{[ 9 ]} 、ルイ・カレ^{[ 10 ]} 、フランシス・ホークスビー^{[ 11 ]} 、ジョシア・ヴァイトブレヒト^{[ 12 ]}）液体の粒子が互いに、そして毛細管の壁に引き寄せられると考えた者もいた。

18 世紀中も実験的研究は続けられたが^{[ 13 ]} 、毛細管現象の定量的処理^{[ 14 ]}が成功したのは 1805 年、イギリスのトーマス・ヤング^{[ 15 ]}とフランスのピエール＝シモン・ラプラス^{[ 16 ]}の 2 人の研究者によってであった。彼らは毛細管現象のヤング・ラプラス方程式を導出した。1830 年までに、ドイツの数学者カール・フリードリヒ・ガウスは毛細管現象を支配する境界条件 (すなわち、液固界面の条件) を決定した^{[ 17 ]}。1871 年、イギリスの物理学者サー・ウィリアム・トムソン(後のケルビン卿) は、液体の蒸気圧に対するメニスカスの影響を決定した。これはケルビン方程式として知られる関係である^{[ 18 ]} 。ドイツの物理学者フランツ・エルンスト・ノイマン(1798–1895) はその後、混ざり合わない 2 つの液体間の相互作用を決定した^{[ 19 ] 。}

1900 年にアナレン デア フィジークに投稿されたアルバート アインシュタインの最初の論文は毛細管現象に関するものでした。 ^{[ 20 ] [ 21 ]}

多孔質媒体における毛細管浸透は、粘性力によって抵抗を受けるため、中空管内の流れと動的メカニズムを共有しています。^{[ 22 ]}そのため、この現象を実証するためによく使用される装置は毛細管です。ガラス管の下端を水などの液体に入れると、凹面状のメニスカスが形成されます。流体と固体の内壁との間に付着力が生じ、液体の質量が重力によってこれらの分子間力に打ち勝つまで、液柱が引っ張られます。液柱の上部と管との間の接触長（縁の周囲）は管の半径に比例し、液柱の重量は管の半径の2乗に比例します。したがって、内側の水分子が外側の水分子に十分に付着している場合、細い管は太い管よりも液柱をより遠くまで引っ張ります。

建築環境では、蒸発制限毛細管浸透がコンクリートや石材の湿気上昇現象の原因となっているが、産業や診断医学では、この現象は紙ベースのマイクロ流体工学の分野でますます活用されている。^{[ 22 ]}

生理学において、毛細管現象は、絶えず生成される涙液を眼から排出するために不可欠です。まぶたの内側の隅には、涙管とも呼ばれる非常に細い2本の管があり、まぶたを反転させると、涙嚢の中にその開口部が肉眼で見えます。

ペーパータオルは毛細管現象によって液体を吸収し、表面からタオルへと液体を移動させます。スポンジの小さな孔は小さな毛細管のように働き、大量の液体を吸収します。一部の繊維製品は、毛細管現象を利用して汗を肌から吸い上げると言われています。これらは、ろうそくやランプの芯の毛細管現象にちなんで、吸湿速乾性生地と呼ばれることがよくあります。

薄層クロマトグラフィーでは、毛細管現象が観察されます。この現象では、溶媒が毛細管現象によってプレート上を垂直に上昇します。この場合、細孔は非常に小さな粒子間の隙間です。

毛細管現象によって、万年筆内部のインク貯蔵庫またはカートリッジからインクがペン先の先端まで吸い上げられます。

水銀とガラスなど、一部の物質の組み合わせでは、液体内部の分子間力が固体と液体の間の分子間力を上回るため、凸状のメニスカスが形成され、毛細管現象が逆方向に働く。

水文学では、毛細管現象とは、水分子が土壌粒子に引き寄せられる現象を指します。毛細管現象は、地下水を土壌の湿った領域から乾燥した領域へ移動させる原因となります。土壌ポテンシャルの違い（$\displaystyle \Psi _{m}}$土壌中の毛細管現象を促進する。

毛細管現象の実用的な応用例として、毛細管サイフォンがあります。ほとんどのサイフォンのように中空の管を使用する代わりに、この装置は繊維質の素材（綿の紐や糸が適しています）で作られた紐で構成されています。紐を水で飽和させた後、片方の端（重りを付けた方）を水で満たされた貯水槽に入れ、もう一方の端を受容器に入れます。貯水槽は受容器よりも高い位置にある必要があります。^{[ 23 ]}関連するものの簡略化された毛細管サイフォンは、表面が親水性で、その間の狭い溝に水が浸かる2本のフック状のステンレス鋼棒のみで構成されています。^{[ 24 ]}毛細管現象と重力により、水は貯水槽から受容器にゆっくりと移動します。このシンプルな装置は、誰も家にいないときに観葉植物に水をやるのに使用できます。この特性は蒸気機関車の潤滑にも利用されています。梳毛ウールの芯を使用して、貯水槽からベアリングにつながる送油管に油を吸い上げます。^{[ 25 ]}

乾燥した多孔質媒体が液体と接触すると、時間の経過とともに減少する速度で液体を吸収します。蒸発を考慮すると、液体の浸透は温度、湿度、透過率のパラメータに依存する限界に達します。このプロセスは蒸発制限毛細管浸透^{[ 22 ]}として知られており、紙への液体の吸収やコンクリートや石積みの壁の上昇湿気など、一般的な状況で広く観察されています。断面積Aの棒状の材料の片端が濡れている場合、時間t後の吸収された液体の累積体積Vは次のようになります。

${\displaystyle V=AS{\sqrt {t}},}$

ここで、Sは媒体の吸水率であり、単位はm·s⁻¹ ^/²またはmm·min⁻¹ ^{/²である。この時間依存性関係は、毛細管および多孔質媒体における毛細管現象に関する}ウォッシュバーンの式に類似している。^{[ 33 ]} この量は

${\displaystyle i={\frac {V}{A}}}$

これは累積液体摂取量と呼ばれ、長さの次元を持ちます。棒の濡れ長さ、つまり棒の濡れ端といわゆる濡れ前線との間の距離は、空隙が占める体積の割合fに依存します。この数値fは媒体の多孔度です。濡れ長さは、

${\displaystyle x={\frac {i}{f}}={\frac {S}{f}}{\sqrt {t}}.}$

一部の著者は、吸着率としてS/fという量を使用している。 ^{[ 34 ]}

上記の説明は、重力と蒸発が影響しない場合について述べたものです。

吸水性は建築材料の重要な特性であり、上昇湿気の量に影響します。建築材料の吸水性のいくつかの値を以下の表に示します。

• 結合数– 流体力学における無次元数 リダイレクトターゲットの簡単な説明を表示するページ 
• 結合水– 鉱物表面を囲む薄い水の層 
• 合成メッシュを通る毛細管現象
• 毛細管フリンジ– 地下水が毛細管現象によって地下水面から湧き上がる地下層 
• 毛細管圧– 流体と管壁との間の力によって生じる、2つの流体間の圧力 
• 毛細管波– 流体の表面に生じる波で、表面張力が支配的である。 
• 毛細管橋– 濡れた2つの物体をつなぐ液体の表面積を最小限に抑えた構造 リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ 
• 防湿処理– 建築における湿気対策の一種 
• ダルシーの法則– 多孔質媒体を通過する流体の流れを表す方程式 
• 霜花– 植物から押し出された薄い氷の層 
• 凍上– 凍結時に土壌が上方に膨張する現象 
• ヒンドゥー教の牛乳の奇跡– 1995年の奇跡とされる出来事リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ 
• クローグモデル
• 多孔度測定– 材料の多孔度を測定および特性評価する 
• 針状氷– 液状の地下水が氷点下の空気中に上昇して形成される氷柱 
• 表面張力– 液体の表面が表面積を小さくするために収縮する傾向 
• ウォッシュバーンの式– 液体が毛細管に浸透する長さを時間とともに表す式 
• ヤング・ラプラス方程式― 流体力学における界面上の圧力差を記述する方程式 

• ド・ジェンヌ、ピエール・ジル。フランソワーズ・ブロシャール・ワイアート。ケレ、デヴィッド (2004)。毛細管現象と湿潤現象。スプリンガーニューヨーク。土井: 10.1007/978-0-387-21656-0。ISBN 978-1-4419-1833-8。