毛細管現象
高さ225mmの多孔質レンガを浅い水皿に置いた後、水は毛細管現象によってレンガを上昇します。水との最初の接触から経過した時間を示しています。重量増加から推定される多孔率は25%です。
水（極性）と水銀（非極性）の毛細管現象（それぞれガラス（≡Si-OH）などの極性表面に対するもの）

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、またはウィッキングと呼ばれることもある）は、重力などの外部の力の助けを借りずに狭い空間内を液体が流れるプロセスです。

この効果は、絵筆の毛の間から吸い上げられた液体、ストローなどの細い管、紙や石膏などの多孔質の材料、粘土や液化炭素繊維などの一部の非多孔質の材料、または生物細胞などで確認できます。

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発生します。チューブの直径が十分に小さい場合、表面張力（液体内の凝集力によって生じる）と液体と容器壁との間の粘着力の組み合わせが、液体を移動させるように作用します。

語源

「毛細血管」はラテン語の「capillaris」に由来し、「毛髪の、または毛髪に似た」という意味です。この意味は、毛細血管の直径が髪の毛のように細いことに由来しています。

歴史

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 ]ガリレオの弟子であったニッコロ・アッジュンティも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「パイプ内のある程度の高さ」まで上昇するのを観察したと報告しました。その後、ボイルは毛細管を赤ワインに浸し、部分的な真空状態にする実験を報告しました。彼は、真空状態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ました。したがって、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ことがわかりました。[ 4 ]

ボイルの先例にすぐに倣った人々も現れた。[5] オノレ・ファブリ[ 6 ]ヤコブ・ベルヌーイ[ 7 ]など一部の人々は、毛細管内で液体が上昇するのは、空気が液体ほど容易に毛細管に入り込むことができないため、毛細管内の気圧が低いためだと考えた。一方、アイザック・フォシウス[ 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 ]など他の研究者は、液体の粒子が互いに、そして毛細管の壁に引きつけられると考えていた。

18 世紀にも実験的研究は続けられたが[ 13 ] 、毛細管現象の定量的な取り扱いに成功したのは[ 14 ]、1805 年になってからであった。英国のトーマス・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 年までには、ドイツの数学者カール・フリードリヒ・ガウスが毛細管現象を支配する境界条件 (すなわち、液体と固体の界面における条件) を決定した。[ 17 ] 1871 年、英国の物理学者ウィリアム・トムソン卿(後のケルビン卿) が、液体の蒸気圧に対するメニスカスの影響を決定した。この関係はケルビン方程式として知られている。[ 18 ]その後、ドイツの物理学者フランツ・エルンスト・ノイマン(1798–1895) が、混ざらない 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 ]

現象と物理学

内壁の中程度の湿気上昇
国際宇宙ステーションでの毛細管流と現象を調査する毛細管流実験

多孔質媒体における毛細管浸透は、その動的メカニズムが中空管内の流れと共通しており、どちらのプロセスも粘性力によって抵抗される。[ 22 ]そのため、この現象を実証するためによく使われる装置は毛細管である。ガラス管の下端を水などの液体に入れると、凹状のメニスカスが形成される。流体と固体の内壁の間に接着が生じ、重力がこれらの分子間力を克服できるだけの液体の質量になるまで、液柱が引っ張られる。液柱の上部と管の間の接触長さ（端の周囲）は管の半径に比例し、液柱の重さは管の半径の2乗に比例する。そのため、内部の水分子が外部の水分子と十分に凝集していれば、狭い管の方が広い管よりも液柱を遠くまで引っ張ることができる。

例

建築環境では、蒸発を制限する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ますが、産業や診断医学の分野では、この現象が紙ベースのマイクロ流体工学の分野でますます利用されています。[ 22 ]

トゲオイグアナの鱗と皮膚を通して、環境中の水分が口に吸収され、摂取されます。1.毛細管現象により、鱗の下の溝を通って水が流れます。2.親水性の皮膚に水分が蓄積し、これらの微細構造が形成されるため、水がより広い表面積に広がります。

生理学において、毛細管現象は、継続的に産生される涙液を眼から排出するために不可欠です。まぶたの内側の角には、直径の小さな2つの涙小管（涙管とも呼ばれます）があり、まぶたを外側に開くと涙嚢内に肉眼でその開口部を見ることができます。

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が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、ウィッキング生地と呼ばれることがよくあります。

毛細管現象は薄層クロマトグラフィーにおいて観察され、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。

毛細管現象により、ペン内部のインク貯蔵庫またはカートリッジから 万年筆のペ​​ン先の先端にインクが引き寄せられます。

水銀とガラスなどの一部の物質の組み合わせでは、液体内の分子間力が固体と液体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、毛細管現象が逆に作用します。

水文学において、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、土壌の湿潤部から乾燥部へ地下水を移動させる役割を果たします。土壌電位（）の差が土壌中の毛細管現象を駆動します。 Ψメートル{\displaystyle \Psi_{m}}

毛細管現象の実際の応用として、毛細管現象サイフォンがある。ほとんどのサイフォンのように中空のチューブを使う代わりに、この装置は繊維質の素材でできた長いコード（綿のコードや紐が適している）からできている。コードを水で飽和させた後、（重りを付けた）一方の端を水を満たしたタンクに入れ、もう一方の端を受け入れ容器に入れます。タンクは受け入れ容器よりも高くなければなりません。[ 23 ]関連しているが簡略化された毛細管サイフォンは、表面が親水性である 2 本のフック形のステンレス鋼棒で構成されており、その間の狭い溝を水が濡らすことができます。[ 24 ]毛細管現象と重力により、水はタンクから受け入れ容器にゆっくりと移ります。この単純な装置は、家に誰もいないときに観葉植物に水をやるのに使えます。この特性は蒸気機関車の潤滑にも利用されており、梳毛の芯を使ってタンクから油を吸い上げ、ベアリングに通じる配管に送ります。[ 25 ]

植物や動物において

毛細管現象は多くの植物に見られ、蒸散に関与しています。水は枝分かれによって樹高まで運ばれ、葉からの蒸発によって減圧が起こります。また、根に浸透圧が加わることで、また、特に空中根で水分を集める際に、植物体内の他の場所でも水分が運ばれる可能性があります。[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]

毛細管現象による水分吸収は、リギア・エキゾチカ[ 29 ]やモロク・ホリドゥス[ 30 ]などの小動物で報告されている。

半月板の高さ

毛細管内の液体の毛細管上昇

毛細管内の水位と毛細管の直径の関係

液柱の高さhはジュリンの法則[ 31 ]によって与えられる。

h＝2γコス⁡θρグラムr、{\displaystyle h={{2\gamma \cos {\theta }} \over {\rho gr}},}

ここで、は液体-空気表面張力（力/単位長さ）、θは接触角、ρは液体の密度（質量/体積）、 gは重力による局所加速度（長さ/時間の2乗[ 32 ]）、rはチューブの半径です。 γ{\displaystyle \scriptstyle \gamma}

分母に rがあるため、液体が移動できる空間が薄いほど、液体はより高く上昇します。同様に、液体が軽く、重力が小さいほど、柱の高さは高くなります。

標準的な実験室環境下、空気中の水を満たしたガラス管の場合、 20 ℃ でγ = 0.0728 N/m 、 ρ = 1000 kg/m 3、g = 9.81 m/s 2となる。水は清浄なガラス上で広がるため、実効平衡接触角はほぼゼロとなる。これらの値の場合、水柱の高さは  

h≈1.48×10−5 メートル2r。{\displaystyle h\approx {{1.48\times 10^{-5}\ {\mbox{m}}^{2}} \over r}.}

したがって、上記の実験室環境で半径2m（6.6フィート）のガラス管を試験した場合、水位は0.007mm（0.00028インチ）しか上昇しませんが、これは目に見えるものではありません。しかし、半径2cm（0.79インチ）のガラス管では水位は0.7mm（0.028インチ）、半径0.2mm（0.0079インチ）のガラス管では水位は70mm（2.8インチ）上昇します。

2枚のガラス板間の液体の毛細管上昇

層の厚さ（ d）と高さ（h ）の積は一定（d・h  = 定数）であり、2つの量は反比例する。平面間の液体の表面は双曲線となる。

  • 2枚のガラス板の間の水

多孔質媒体における液体輸送

レンガ内の毛細管流動。収着率は 5.0 mm·min −1/2、多孔度は 0.25。

乾燥した多孔質媒体が液体と接触すると、液体を吸収しますが、その速度は時間の経過とともに減少します。蒸発を考慮すると、液体の浸透は温度、湿度、透過性などのパラメータに依存した限界に達します。このプロセスは蒸発限界毛細管浸透[ 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湿気上昇など、一般的な状況で広く観察されています。断面積Aの棒状の材料片が片端で濡れている場合、時間t後の吸収された液体の累積体積Vは

V＝あSt、{\displaystyle V=AS{\sqrt {t}},}

ここで、Sは媒体の吸着係数であり、単位はm·s −1/2またはmm·min −1/2である。この時間依存性は、毛細管や多孔質媒体におけるウィッキングに関するウォッシュバーンの式に類似し て いる。[ 33 ]

私＝Vあ{\displaystyle i={\frac {V}{A}}}

は累積液体吸収量と呼ばれ、長さの次元を持つ。棒の濡れ長さ、すなわち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に依存する。この数値fは媒体の 多孔度であり、濡れ長さは

×＝私f＝Sft。{\displaystyle x={\frac {i}{f}}={\frac {S}{f}}{\sqrt {t}}.}

一部の研究者はS/fという量を吸着係数として用いている。[ 34 ]

上記の説明は、重力と蒸発が影響しない場合のものです。

吸湿性は、上昇する湿気の量に影響を与えるため、建築材料の重要な特性です。建築材料の吸湿性の値のいくつかを下の表に示します。

選択された物質の吸着性（出典：[ 35 ]）
材料吸着係数（mm·min −1/2）
気泡コンクリート0.50
石膏プラスター3.50
粘土レンガ1.16
モルタル0.70
コンクリートレンガ0.20

参照

参考文献

  1. ^参照:
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    • Guillaume Libri、Histoire dessciences mathématiques en Italie、depuis la Renaissance des lettres jusqu'a la fin du dix-septième siecle [ルネサンスから 17 世紀末までのイタリアの数学史] (パリ、フランス: Jules Renouard et cie.、1840)、vol. 3、ページ 54 2016 年 12 月 24 日にWayback Machineにアーカイブされました。 54 ページより: 「Enfin, deux observations Capitales, celle de l'action capillaire (7) et celle de la diffraction (8), dont jusqu'à présent on avait méconnu le véritable auteur, Sont dues également à ce brillant génie.」（最後に、毛細管現象（7）と回折（8）という2つの主要な観察は、これまでその真の作者が判明していませんでしたが、この素晴らしい天才によるものです。）
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  2. ^毛細管現象に関する研究のより詳しい歴史については以下を参照してください。
  3. ^ジョヴァンニ・バティスタ・クレメンテ・ネッリ（1725–1793）は1759年の著書の中で（87ページ）、アジュンティの「un libro di problem vari geometrici ec. e di speculazioni, ed esperienze fisiche ec.」（様々な幾何学問題、推測、物理実験などを扱った本）を所持していたと述べています。91～92ページで、ネッリはこの著書から次のように引用しています。「アジュンティは毛細管現象を「moto occulto」（隠れた／秘密の運動）に帰しました。彼は、蚊、蝶、蜂は毛細管現象によって摂食し、植物の樹液も毛細管現象によって上昇すると提唱しました。」参照: Giovambatista Clemente Nelli、 Saggio di Storia Letteraria Fiorentina del Secolo XVII ... [17 世紀のフィレンツェの文学史に関するエッセイ、... ] (Lucca、(イタリア): Vincenzo Giuntini、1759)、 91 ～ 92 ページ。 2014 年 7 月 27 日、ウェイバック マシンにアーカイブされました
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  12. ^参照:
  13. ^例えば:
    • 1740年、クリスティアン・エーレゴット・ゲラート（1713–1795）は、水銀と同様に溶融鉛はガラスに付着せず、そのため毛細管内の溶融鉛の液面が低下することを観察した。参照：CE Gellert (1740) "De phenomenis plumbi fusi in tubis capillaribus" (毛細管内の溶融鉛の現象について) Commentarii academiae scientiarum imperialis Petropolitanae (サンクトペテルブルク帝国科学アカデミー紀要)、12  : 243–251。Archive.orgでオンライン閲覧可能。Wayback Machineに2016年3月17日にアーカイブ。
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  14. ^ 18世紀には、一部の研究者が毛細管現象の定量的処理を試みた。たとえば、 Alexis Claude Clairaut (1713–1765) Theorie de la Figure de la Terre tirée des Principes de l'Hydrostatique [水力学的原理に基づく地球の図形の理論] (パリ、フランス: David fils、1743)、 Chapitre X. De l'élevation ou de l'abaissement des Liqueurs dans を参照してください。 les Tuyaux capillaires (第 10 章。毛細管内の液体の上昇または下降について)、 105 ～ 128 ページ。 2016 年 4 月 9 日にウェイバック マシンにアーカイブ
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さらに読む

ウィキメディア・コモンズには、毛細管現象に関連するメディアがあります。
  • 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。
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