最大気泡圧法

物理学において、最大気泡圧法、または略して気泡圧法は、界面活性剤を使用して液体の表面張力を測定する手法です。

液体が気相と界面を形成すると、境界にある分子は、隣接する分子による引力の不均衡により、物理的特性が全く異なります。液体の平衡状態では、内部の分子は、均一に分布した隣接分子と均衡した力を受けています。

しかし、界面上の気相中の分子の数は凝縮液相中の分子の数よりも比較的少ないため、表面分子に加わる力の総和は液体内部に直接作用し、表面分子は自身の表面積を最小化する傾向があります。

このような分子力の不均等により、分子は内部から表面へと連続的に移動することになり、表面分子には余分なエネルギーが生じます。このエネルギーは表面自由エネルギーまたは位置エネルギーと呼ばれ、^{[どちらですか? ]}縮小した単位面積に作用するこのようなエネルギーは表面張力として定義されます。

これは物質の表面や界面で起こる関連現象を解釈するための枠組みであり、表面張力を測定するための多くの方法が開発されている。^[1]

表面張力を測定するさまざまな方法のうち、デュ・ノイリング法とウィルヘルミースライド法は固体物体が液体表面から分離することに基づいており、ペンダントドロップ法と静滴法またはバブル法は液滴の球形の変形に依存しています。 ^[1]

これらの方法は比較的簡単で、静的 表面張力の測定によく使用されますが、液体に不純物が添加されている場合は、完全に形成された表面を得るのに時間がかかり、純粋な液体のように静的平衡を達成するのが困難になるため、動的平衡に基づく表面張力の測定を適用する必要があります。^[2]

動的表面張力の測定を引き起こす最も一般的な不純物は、同じ分子内に一般に「ヘッド グループ」と呼ばれる親水性セグメントと一般に「テール グループ」と呼ばれる疎水性セグメントの両方を持つ界面活性剤分子です。特徴的な分子構造のため、界面活性剤は、蓄積された分子を界面から分散させる外力または表面が完全に占有され、余分な分子を収容できなくなるまで、気相に接する液体表面に移動します。このプロセス中、表面張力は時間の関数として減少し、最終的に平衡表面張力（σ_平衡）に近づきます。^[3] このようなプロセスを図 1 に示します。（画像は参考文献から転載）^[2]

動的表面張力を測定するための有用な方法の1つは、「最大気泡圧法」または単に気泡圧法を測定することである。^{[1] [2]}

気泡圧力張力計は、一定速度で気泡（空気など）を生成し、サンプル液に浸漬され半径が既知の毛細管を通して吹き出します。

気泡内の圧力（P）は増加し続け、気泡が毛細管の半径と正確に一致する半径を持つ完全な半球形になったときに最大値が得られます。[ 3 ^]

図2は気泡形成の各段階とそれに伴う気泡半径の変化を示しており、各段階については以下で説明する。（画像は参考文献から転載）^{[2] [3]}

最初は毛細管の端に泡が現れます。サイズが大きくなるにつれて、泡の曲率半径は小さくなります。

最大気泡圧力の点では、気泡は半径がRcapで示される毛細管の半径と同じ完全な半球形になります。表面張力は、液体内の球形気泡の形状に対する簡約形のヤング・ラプラス方程式を使用して決定できます。 ^[3]

${\displaystyle \sigma ={\frac {\Delta P_{\rm {max}}\times R_{\rm {cap}}}{2}}}$

（σ：表面張力、Δ P _max：最大圧力降下、R _cap：毛細管の半径）

その後、最大圧力の後、気泡の圧力は減少し、気泡の半径は増加し、気泡は毛細管の端から分離して新しいサイクルが始まります。これは表面張力を決定することには関係ありません。^[3]

現在開発・商品化されている張力計は、気泡形成に必要な圧力をモニタリングし、気泡の内外の圧力差、気泡の半径、サンプルの表面張力を一度に計算し、PC制御でデータ取得を行います。

気泡圧法は、接触角測定を必要とせず、測定が迅速に行われても精度が高いため、界面活性剤やその他の不純物を含むシステムの動的表面張力を測定するためによく使用されます。^{[1] [3]} 「気泡圧法」は、特に界面活性剤を含むシステムの動的表面張力の測定に適用できます。^[3] さらに、この方法は、測定に大量の液体サンプルを必要としないため、血清などの生物学的液体に適用するのに適した技術です。^[ 4 ]^最後に^、特定の範囲の気泡形成速度での動的表面張力は濃度と強い相関関係を示すため、この方法は工業用洗浄浴またはコーティング浴の界面活性剤含有量を間接的に決定するために使用されます。^[2]