研究レポート「ダイラタンシーの緩衝材への利用と SDGｓへ の貢献」

武生高校 探究進学科 １年
期間:２週間動機と研究目的
私達は、科学についてのテレビ番組で、ダイラタンシー流体が紹介されているのを見ました。
足を動かすと走ることができるが、足を止めると体が沈んでいってしまうというものです。そこで
私達は、ダイラタンシー流体というものを調べました。ダイラタンシー流体というものは、ある種の 混合物が示す、遅いせん断刺激（物体内部にある面と平行方向に、その面に滑らすように反応 するせん断応力による刺激）に対しては、液体のように振る舞い、より早いせん断刺激に対して はあたかも個体のように振る舞うという、ダイラタンシーと言われる性質を持つ物質のことです。 ダイラタンシー流体は案外、身近にある片栗粉と水で作ることができることがわかりました。片栗 粉の主成分であるデンプンは水に溶けにくく水の中にデンプンが溶けていない状態になている ので遅いせん断刺激では、デンプンの粒の周りに水で湿った状態になので液体のように振るま います。しかし、より早いせん断刺激にが加わるとデンプンの粒の並び方が変わり、デンプンの 粒同士の隙間が広がり水が内側に移動することで、デンプンの粒の表面が乾き個体のように振 る舞うようになります。
そこで私達は、ダイラタンシー流体をその性質を活かして、なにか別の用途で利用することは できないだろうかと考えました。

遅いせん断刺激の際早いせん断刺激の際

私達はダイラタンシー流体を使って、緩衝材のようなものが作れるのではないかと考えました。運送業などの時に荷物が割れたり壊れたりするのを防げるのではないかと思います。また、 研究する目的としては、現在SDGｓが世界の目標となっており、気泡緩衝材などのプラスチック 材のゴミが海や地上の環境を汚しているため、プラスチック製のゴミをなるべく出さないために も、気泡緩衝材以外で、緩衝材を作れるのではないかと思ったので研究します。

研究方法１
片栗粉と水の比率を６:５、７:５、８:５と変えた3種類のダイラタンシー流体を作り、それらを６０ｇ に統一します。それらをポリ袋の中に入れ、その中にうずらの卵を入れます。また、ダイラタ
ン シー流体ではなく、梱包材として使われている気泡緩衝材でうずらの卵を1重、2重したもの作り ます。（ダイラタンシー流体は水と片栗粉の比率で作れる範囲が狭いため、粘り気が、低い、真 ん中、高いという代表的な３つの種類のダイラタンシー流体で実験しようと考えました。）
この５つ のモデルを、落としてうずらの卵がどこの高さで割れたのかを調査します。（うずらの卵にヒビが入った時点で割れたと いうことにします。）
これらの５つのモデルを比較することによって、どの比率のダイラタンシー流体が、最も緩衝材 として活用できるかを調べられ、気泡緩衝材と比較することによって、ダイラタンシー流体が日 常の緩衝材として適しているのかを調べられると思います。
また、なぜうずらの卵を利用して実験をしたのかというと、丸い形をしており、小さくて割れやす
く、予算面でも無理なく実験ができると考え、実験結果がより早く、判断もしやすいと考えたから です。

仮説１
調査方法で挙げた、５つのモデルについての私達の仮説は、３つのダイラタンシー流体を比べた時に、６：５のダイラタンシー流体が最も低い高さで割れ、７：５のダイラタンシー流体が中間 の高さで割れ、８：５のダイラタンシー流体が最も高い高さで割れるのではないかと仮説しまし た。粘り気が強いほうが、よりうずらの卵を保護できるのではないかと考えたからです。 また、上からの衝撃には７：５のダイラタンシー流体が最も衝撃を吸収するのではないかとも仮説しました。上からの衝撃には、粘り気が弱すぎず、強すぎないダイラタンシー流体が良いので はないかと考えたからです。
そして、ダイラタンシー流体と気泡緩衝材を比べた時に、ダイラタンシー流体の方がより高い高さでうずらの卵が割れるのではないかと仮設しました。気泡緩衝材で包まれたうずらの卵には、ほぼ直接的に落下による衝撃が加わるのに対して、ダイラタンシー流体で包まれたうずらの 卵は、落下の衝撃がダイラタンシー流体に含まれる、水によって間接的に伝えられて、衝撃が 気泡緩衝材で包まれている時よりも和らぐのではないかと考えたからです。

得られた結果１（１）６：５のときのダイラタンシー流体は９０ｃｍの高さの時にうずらの卵が割れました。
（２）７：５のときのダイラタンシー流体は８０ｃｍの高さのときにうずらの卵が割れました。
（３）８：５のときのダイラタンシー流体は２００ｃｍの高さのときにうずらの卵が割れました。
（４）気泡緩衝材を一重巻いたうずらの卵は１５ｃｍの高さの時にうずらの卵が割れました。 （５）気泡緩衝材を二重巻いたうずらの卵は２０ｃｍの高さのときにうずらの卵が割れました。
（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、の結果を以下のグラフにまとめました。

考察１
調査１の結果から私達は、何も手を加えていないうずらの卵と、うずらの卵に手を加えた５つ のモデルを比較したことから言えることとして、やはり気泡緩衝材やダイラタンシー流体を利用 すると、緩衝材の役割を果たすということがわかりました。
また、ダイラタンシー流体どうしの結果から言えることとして、粘り気が弱すぎずかつ、強すぎないことが最も良い緩衝材になるということが言えると思われます。ダイラタンシー流体にの粘り 気が弱すぎると、落下した衝撃でダイラタンシー流体があまり固まらず、落下の衝撃を和らげる ことができず、うずらの卵は割れてしまったと考えられます。また、粘り気が強すぎる場
合には、ダイラタンシー流体が固まりすぎてしまい、落下したときの衝撃が和らげられず、うずらの卵は割 れてしまったと考えられます。この２つに対して粘り気が中間である、片栗粉：水＝７：５のダ
イラ タンシー流体は、液体と固体の両立がうまくなされていて、落下の衝撃を固体と液体の性質をうまく利用して、和らげられたのではないかと考えます。私達が考えた仮説とは異なり、粘り気が 強ければ強いほど、ダイラタンシー流体に包まれた製品を保護できるというわけではなく、固体 と液体をうまく組み合わせることで、より良い緩衝材ができると考えました。
また、気泡緩衝材と、ダイラタンシー流体をを比べた際に気泡緩衝材はダイラタンシー流体に比べて衝撃を和らげることができないということがわかりました。やはり、気泡緩衝材は直接的に うずらの卵に衝撃が伝わりやすく気泡が割れてしまったら衝撃が和らげることができないので、 低い高さでうずらの卵が割れてしまったと考えます。ダイラタンシー流体は衝撃によって固体に なったとしても、外部から内部に移動した、水によって衝撃が和らげられたのでうずらの卵が低 い高さでは割れなかったと考えられます。
以上のことから、７：５のダイラタンシー流体は緩衝材の代わりになるのではないかと考えま す。
また、この調査は下からの衝撃にかんするものであるので、次は上からの衝撃にはどのくらい 衝撃を和らげられるのかを調査していこうと思います。

研究方法２
これらの５つのモデル（調査１と同様なモデル）を地面に置き、上からおなじ重さの物体（球形 で重さは１キロのもの）を落としてうずらの卵が割れるときの物体を落とした高さを調べます。調 査１と同様に、うずらの卵にヒビが入った時点でうずらの卵が割れたと判断することとします。

仮説２
実験２をするにあたって、私達がたてた仮説としては、ダイラタンシー流体どうしを比べた時、実験１で得られた結果を参考にすると、片栗粉：水＝６：５のダイラタンシー流体と８：５のダイラ タンシー流体がだいたい同じくらいの高さで物体を落とした時にうずらの卵が割れ、７：５のダイ ラタンシー流体は先程のダイラタンシー流体よりも高い高さで物体を落とした時に割れると思います。実験１と同じように上からの衝撃になったとしても同様な結果が得られると思います。
また、ダイラタンシー流体と気泡緩衝材を比べた時に、実験１と同様な結果がえられると考え ました。

得られた結果２：５つのモデルに物体を落としたとき６：５、７：５、８：５の比率に設定した、６０ｇのダイラタンシー流体にうずらの卵を入れたものと、 気泡緩衝材を１重、２重に巻いたうずらの卵の５つのモデルの上から物体を落とし、どの高さか ら落ちたのかという調査の結果は、（１）６：５のときのダイラタンシー流体は上から落とす物体が１０ｃｍのときにうずらの卵が割れました。
（２）７：５のときのダイラタンシー流体は上から落とす物体が１５ｃｍのときにうずらの卵が割れました。
（３）８：５のときのダイラタンシー流体は上から落とす物体が２０ｃｍのときにうずらの卵が割れました。
（４）1重に巻いた気泡緩衝材は上から落とす物体が１ｃｍのときにうずらの卵が割れました。
（５）2重に巻いた気泡緩衝材は上から落とす物体が２ｃｍのときにうずらの卵が割れました。
（１）、（２）、（３）、（４）、（５）の結果を以下のグラフにまとめました。

考察２
結果１から私達が考えたことは、ダイラタンシー流体同士を比べた際に、粘り気の強いダイラタ ンシー流体が上からの衝撃に強く、粘り気の弱いダイラタンシー流体が上からの衝撃に弱いと いうことが上のグラフより読み取れるため、その関係は比例のような関係にあると考えました。ま た、気泡緩衝材も同様に上のグラフから気泡緩衝材を重ねるほど衝撃を吸収していることが読 み取れるため、その関係は比例のような関係にあると考えました。そして、気泡緩衝材よりもダイ ラタンシー流体のほうが明らかに衝撃を吸収しているため、上からの衝撃を吸収し、中身を保 護するという面では気泡緩衝材よりもダイラタンシー流体のほうがよいと考えられます。

結論
ダイラタンシー流体は、日頃使われている、気泡緩衝材よりも衝撃を吸収しやすいことがこの研究から得られました。また、個体の性質と液体の性質をどちらも利用することで、より衝撃を吸 収できるということがわかりました。ですが、上からの衝撃に関しては、より固体の性質を持って いたほうがより衝撃が吸収されるので、下の衝撃と、上の衝撃のバランスをどう取るのかが問題 になってくると思いました。上には固体よりのダイラタンシー流体で覆い、下には液体と固体のバランスが取れたダイラタンシー流体を入れるのも一つの手ではないかと思います。 また、ダイラタンシー流体の衝撃吸収力を利用して、はじめに述べた運送に応用できると考え ました。現在、ものを運ぶときには、段ボールの中にものを入れ、その周りに気泡緩衝材などの プラスチック製の緩衝材が使われています。ですが、ダイラタンシー流体を緩衝材もしくは段ボールのように梱包材として活用すれば、ダイラタンシー流体は衝撃が加わっていないときは液体であるため、トラックなどに隙間なく荷物を入れられ、運送の効率化ができ、なおかつ、プ
ラ スチック製の緩衝材を使わないため、プラスチックを使わなくてもよくなり、環境にも優しく、

SDG ｓが掲げる目標にも貢献できると考えました。
ですが、まだまだダイラタンシー流体が適当であるとは言いきれないため今後もダイラタンシー流体を活用できるような手段を考え、研究を重ねて、社会に貢献できるような研究をして
い きたいです。

参考文献

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%81%9B%E3%82%93%E6%96%AD%E5%BF%9C%E5%8
A%9B
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%80%E3%82%A4%E3%83%A9%E3%82%BF%E3%83%B3%E3%82%B7%E3%83%BC