ソフトマターの物理学：歯磨き粉の挙動とピッチドロップ実験の現在

毎朝の歯磨き粉を絞る行為は、加えられた力に対する物質の応答という複雑な物理学的原理を日常的に示している。歯磨き粉は圧力を加えると流動するが、静置すれば形状を保持し、これは学校で教わる単純な固体と液体の二分法に挑戦する。これらのゲルやクリームといった物質群はソフトマターに分類され、固体的な挙動と液体的な挙動の両方の特性を示す。この二面性は、液体の流体中に懸濁した液滴や長鎖高分子といった、より大きな構成要素から成る内部構造に起因する。これらの構造は、外部応力に対して脆弱でありながら極めて順応性が高い、弱い力によって保持されている。

物質の応答は、加えられる力の大きさ、そしてその力が作用する時間的尺度の両方に決定的に依存する。急激な圧迫は、内部構造が速やかに再配列し再構築されるため、歯磨き粉を容易に流動させる。同様に、シャンプーを振ると、その鎖状分子が整列し、抵抗が減少し、よりスムーズな注ぎやすさをもたらす。物理学者は、この力と時間依存性の挙動を、応力下での変形と流れを研究するレオロジーの分野で探求している。レオロジーという学問領域は、1929年にE.ビンガム博士らによって提唱され、物質の変形と流動に関する科学と定義されている。これは、化粧品や食品のようなコロイド分散系や高分子といった複雑な系を対象とし、単純な剪断変形や引っ張り変形の下でどのように振る舞うかを測定し解析する学問である。

この現象の最も著名な実証例が、クイーンズランド大学（UQ）でトーマス・パーネル教授が1927年に開始したピッチドロップ実験である。この実験は、固体のように見えても実際には水の2000億倍の粘性を持つと推定されるピッチの粘性を検証している。この実験は、固体に見える物質が実際には非常に粘性の高い流体であることを学生に教える目的で開始された。1930年に封印が切られて以来、落下したのは9滴であり、直近の9滴目は2014年4月に記録された。この実験は、ギネス世界記録に「最も長く続く実験室での実演」として認定されている。

現在、この実験は3代目となるアンドリュー・ホワイト教授によって管理されており、10滴目は2020年代後半に予測されている。ホワイト教授は、UQで1999年に設立した量子技術研究所を率いており、オーストラリア研究評議会の上級フェローでもある。ピッチドロップ実験の粘性は、水のおよそ2300億倍と推定されており、その極端な遅延性は、時間依存性の現象、すなわちチクソトロピー（時間とともに粘度が低下する現象）の一例として、レオロジーの範疇で深く研究されている。ソフトマターの挙動は、加えられる応力の時間スケールに敏感であり、日常的な製品の取り扱いが、構造と流れの間の均衡に関する現代物理学の章を明らかにしている。