1/4 スライムとゴムの性質 2005.6.25 葛生伸 ”不思議なふうせんとスライム”のコーナーに来ていただきましてありがとうございます。実演しましたスライムと風船をつかった実験に方法についての説明します。 1. ペンシルバルーンと熱の性質スライムやゴムは高分子からできています。高分子というのは原子がひものように長くつらなったものです。鎖のようにつながっているので，高分子鎖ともよばれます。ゴムは高分子が図 1 のように網目状につながったものです。ゴムに重りをつけて伸ばしておいたものにお湯をかけると縮みます。高分子鎖は人間の目や顕微鏡では見えないくらい小さなものです。これ図 1 ゴムの網目構造が激しく暴れまわっています。温度が高くなるほど，激しく暴れまわります。高分子の運動が激しくなると高分子鎖の両端は縮もうとします。手をつないだ幼稚園児の両端に先生図 2 手をつないで暴れまわる子どもがいるとしましょう(図 2)。子どもが手をつないだまま暴れると先生は中の方に引っぱられるでしょう小さなあばれんぼうの動きを実感するためには，ブラスチックの鎖を 1m 位に切って，机の上に鎖を引き延ばして図 3プラスティックの鎖の端を振り回すと縮む片端を鎖と垂直な方向に揺さぶってみましょう。鎖が縮むことがわかります(図 3)。高分子という小さなあばれんぼうも温度が高くなるとより激しく運動するようになり，両端を引っ張る力が強くなります。そのため，重りをつるしたゴムは縮むのです。このとき，小さなあばれんぼうたちは，重りを持ち上げるという仕事をします。ゴムは激しく動き回っています。暴れまわっている高分子鎖は，運動エネルギ 2/4 ーとよばれるエネルギーを持っています。高分子鎖に限らず分子の持っている運動エネルギーは温度に比例します。力をかけてものを動かしたとき，力の大きさと動いた距離をかけたものを仕事といいます。仕事はエネルギーに変わることができます。ゴムを引っ張ったときゴムは手によって仕事をされます。ゴムを急に引っ張るとこの手のした仕事が高分子鎖の運動に変わります。運動の激しさで温度がきまるので，温度が上がります。ゴムを引っ張る実験のときには，できるだけ急激に引っ張ることが必要です。ゆっくりの引っ張ると周りとの温度が同じになろうとするはたらきがあるために，温度があまり上がらなくなります。これは，動き回っているゴムの中の高分子が周りの空気の分子とぶつかって運動のエネルギーを伝えることにより周りの温度に近づくためです。ゴムを引き伸ばしておいて急に縮めると，ゴムは外に対して仕事をすることになります。外に仕事をした分，高分子鎖の運動のエネルギーは小さくなります。そのためにゴム温度が下がります。このように巨視的な仕事をゴムの分子の運動という非常に小さなあばれんぼうの運動に変えたり，熱を巨視的な仕事に変えたりすることができるということを，ゴム風船で体験することができます。 2. スライムと高分子の性質スライムもゴムと同じように，高分子からできています。高分子は身の回りにある繊維，プラスティック，食料品など私たちの生活になくてはならないものです。高分子は原子が細長く連なって鎖のようにつながったもので，ゴムはこの鎖が網目状につながったものだということを先にお話しました。洗濯のりに使われるポリビニルアルコールも高分子の一種です。ポリビニルアルコールは一本の紐のような分子です。これにほう砂を加えると，一部がゴムの網目のようにつながります(図 4)。そうするとかたくなります。高分子が水を含んで網目状につながったものをゲルといいます。お菓子のゼリーもゲルの一種です。スライムはゴムのように網の目のようにつながっていますが，図 4 スライムの中では高分子の鎖がくっそのつながりはきわめて弱く，力が働くついたり離れたりする。 3/4 とすぐに切れてしまいます。しかしながからみあいら，放っておくとまた分子が網目をつくります。したがって，スライムはゆっくり流すと水あめのように流れますが，机にたたきつけると切れるひまがなく，ゴムのようにふるまいます。このように，ゆっくり変形させると粘っこい液体のように流れ，速く変形させるとゴムのよう図 5 生ゴムの中では高分子が絡みあっている。に弾む性質を粘弾性といいます。風船もおもりを下げてしばらくおくとだんだん伸びてきます。しかしながら，網目のような構造をとっているので，伸びはじきに止まります。通常のゴムはイオウを加えて高分子間をつないで網目を作っているのです。生ゴムとよばれるゴムは網目を作っていません。生ゴムやエアコンのホースなどの間につめるゴム製のパテやチューインガムなどもはり粘弾性を示します。ただし，生ゴムでは，高分子同士網目を作っていません。そのかわり，ひものような高分子が互いに絡み合っています(図 5)。粘弾性を示す高分子物質では，このような絡み合いが弱い網目の働きをします。急に変形したあとは，絡み合いがほどけずに，ゴムのように振舞いますが，時間がたつと絡み合ったところがすべるために，だんだん流れていきます。からみ合っているので，急に変形すると一時的に網目が出来ているように振舞います。そのため，机にたたきつけると弾みます。しかしながら，高分子は熱運動で暴れまわっていますので，充分長い時間が経つと動くことができます。そのため，生ゴムもゆっくりと流れることができるのです。粘弾性を示す物質に棒を入れて，ゆっくり回転させると棒の周りを這い登ってきます。スライムの硬さを適当に調整すると驚くほどよく登ります。この現象をワイゼンベルク効果といいます (図 6)。スライムをたたきつけるとゴムのように弾む性質と関係しています。スライムの中に棒を入れてまわすと,棒のまわりのスライムは引き伸ばされます。このとき，スライムは，ゴムを引き伸ばしたような感じになっています。ゴムバンドを引き伸ばすと縮もうとします。縮もうとする力によって，ゴムは横にひろがります。このちからによって，ゴムは棒を登ってくるのです。洗濯糊が入っていた空き容器の底を切ってスライムを入れます。これに水ラム 4/4 おしあげられるひろがるしめつけられるおしちぢめられる図 6 バラス効果とワイゼンベルグ効果をいれて，容器の口から絞り出します。そうすると出口で風船のように丸くなります。この現象をバラス効果といいます(図 6)。これは，容器の口を出る前に押し縮められたスライムが元に戻ろうとする性質があるからです。このように，高分子からできている物質は不思議な性質があります。教科書には，物質は気体，液体，固体に分けられると書いてありますが，現象を観察する時間スケールによって固体としてふるまったり，液体としてふるまったりします。たとえば，海底の近くは硬い岩石からできていて，どうみても固体ですが，1 年間に数十センチメートルの速さで動いています。したがって，非常に長い目でみると固体です。このように，流れや変形に関する性質を研究する学問をレオロジーといいます。このほかにレオロジーの現象として色々な現象が知られています。レオロジーに興味がある方は，尾崎邦宏「キッチンで体験レオロジー」(ポピュラーサイエンス，裳華房)を参照してください。