気泡のOstwald成長過程におけるスケーリング則

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シャンパンや炭酸飲料の栓をあけるとたくさんの泡が出るが、その後、大きい気泡がより大きく、小さい気泡がより小さくなるOstwald成長という現象が起きる。 Ostwald成長は、合金系や液滴生成など、一次転移を引き起こす系において広く見られる普遍的な現象であり、その成長則は1960年代にLifshitz, Slyozov, Wagnerらによって完成され、LSW理論という古典論としてまとめられている[1,2]。 しかし、気泡生成現象、特に液相と気相が同じ物質である単一成分系のOstwald成長においては実験が難しく、 数値計算においても液滴生成に比べて気泡生成は要求される計算量が莫大になることからこれまで研究が進んでいなかった。 特にLSW理論で仮定されている自己スケーリング則と平均場的描像については、気泡生成系で成り立つかどうかは非自明である。

 そこで我々は分子動力学法を用いた急減圧シミュレーションにより気泡分布関数の時間発展を調べた。 これまでの分子動力学法を用いた先行研究においては、泡は数個から10個程度しか表現できず、 分布関数の評価は困難であったが、京コンピュータ上で数億粒子規模の計算を行うことで、気泡分布関数を直接評価することが可能となった。 その結果、気泡分布関数が確かに自己スケーリング則に従っていること、スケーリング指数が低温では3/2、 高温では1になることがわかった。これは、気泡の成長過程が低温では界面律速であるが、高温では拡散律速にクロスオーバーすることに対応している。本研究により、気泡生成系においても自己スケーリング則が成立しており、かつ指数が古典論による予測と 一致することがわかった。これは、気泡生成過程において圧力の緩和が十分に早いため、個々の気泡が感じる圧力が一様であり、 結果として平均場描像が正当化されることを意味する。

LSW理論は、準安定領域における核生成率を予想する古典核生成論と多くの仮定を共有するが、 古典核生成論が気泡生成率の予測に失敗するのに対し、LSW理論は気泡成長を良く記述することがわかった。 古典核生成論が気泡生成率を記述できない理由については、今後の研究課題として残されている。

(by 渡辺宙志)

[参考文献]
[1] I. Lifshitz and V. Slyozov, J. Phys. Chem. Solids 19, 35 (1961).

[2] C. Wagner, Z. Elektrochem. 65, 581 (1961).

[3] H. Watanabe, M. Suzuki, H. Inaoka, and N. Ito, J. Chem. Phys. 141 234703 (2014).

AIPによるプレスリリース: How the Physics of Champagne and Soda Bubbles May Help Address the World's Future Energy Needs

図1:減圧シミュレーションにおける気泡の可視化。理研の稲岡氏に依る。


図2:気泡数の時間発展の温度依存性。いずれも急減圧の直後に増えた後、ベキ的に減衰するが、温度が低い場合の指数は3/2、高い場合には1となる。