2.何が問題なのか

金平糖について誰でもが抱くであろう素朴な関心は、角がどのようなメカニズムで成長するのか、そして、角の本数(あるいはサイズ)に何か法則性があるのかどうか、という点であろう。典型的な金平糖のサイズは直径数mmから大きいもので1cm程度であり、そこに高さ、間隔共に数mm程度の角が生える。また、後で述べるように、角の大きさは、結晶粒子の成長とともに変化する。

金平糖の結晶表面は、外部から加えられた飽和濃度に近いショ糖水溶液で覆われており、それが加熱に伴う水の蒸発によって過飽和状態になり、ショ糖が結晶化しているには違いない。ここで、溶質の拡散による輸送過程に起因する界面の不安定化と、表面張力による界面の安定化(Gibbs-Thomson効果)の競合によって角が生える(Mullins-Selerka不安定)と仮定すると、その不安定化波長λMSは、(溶質の)拡散長 l と、表面張力に関係した毛管長(capillary length)d0 との幾何平均程度の長さ λMS〜( l d0)1/2で与えられる[12]。ところが、こうした系での毛管長はオングストローム程度、拡散長は cm 程度と見積もられるので、Mullins-Sekerka不安定によって期待される「角」の大きさはマイクロメーター程度のオーダーになってしまい、現実とはかなりの開きが生じてしまう。

こうした長さのスケールのギャップに関係して、「つらら」の波模様についての最近の研究が興味深い[10,11]。つららの表面に数ミリメートル程度の周期で、洗濯板のようなうねりが見られるのは、寒冷地にお住いの読者ならばよくご存じと思う。つららを単純な水の結晶化と考えてMullins-Sekerka理論を適用すると、この波模様の周期は数百マイクロメーター程度と予想され、ここでもやはり大きなギャップが生じる。ところが、適切な境界条件を課して、結晶化の際に生じる潜熱がつららの表面を伝って流れる水の薄膜層によって輸送される効果まで考慮すると、現実のうねりをよく説明できるというのである。

金平糖の場合でも、表面は糖蜜の流体層に覆われながら成長するので、つららの問題と何らかのアナロジーが成り立つのではないか。実験を始めた頃、我々ははそう予想していた。けれども、そもそも金平糖については、ある定まった特徴的な長さが選択されるわけではなく、粒子の成長とともに、角の大きさや間隔も変化していく。そもそも、加熱された鍋の中で激しく流動している粒子の表面付近で、比較的単純で定常的な流体効果や拡散輸送を仮定できるかについても疑問である。つまり、Mullins-Sekerka理論(あるいはその拡張版)によって金平糖の角を説明しようとする試みには、どうしても無理があると言わざるを得ない。

このように、金平糖の大きすぎる角を明快に説明することのできるモデルや理論は、著者らの知る限り、まだ提案されていない。多数の粒子を使って成長させる製造方法は商業的には理にかなっているけれども、角の形成を詳しく調べるには、一粒の粒子の上に角を生やすことができれば十分である。ところが、そのような成功例は聞いたことがない。そして、以下に述べるように、どうやら、沢山の粒子が混じり合いながら結晶が成長するところに鍵がありそうなのである。


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© Yoshinori Hayakawa (2007)