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黒板に描くと着色する「魔法の」チョークを自作してみました

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昔ながらの授業・講義といえばチョークと黒板を使ったもの。ホワイトボードや電子黒板の普及により需要が減っていると言われますが、まだまだ現役です。チョークの主原料は炭酸カルシウムや石膏。貝殻や卵殻のリサイクル品も流通していますが、いずれにしろチョークといえばまず真っ白な棒というイメージです。黄色い線を引くためには黄色く着色したチョーク、赤い線を引くためには赤いチョーク、他にも水色やオレンジなど色つきのものも使用した経験があることでしょう。

ここで唐突な質問ですが、真っ白なチョークを使ってカラフルな線を引けたら楽しいと思いませんか?というわけで、単分散シリカ粒子を用いてそのようなチョーク(っぽいもの)を自作してみました。

ここでのチョーク作りに利用する原料は

  • 単分散シリカ粒子(富士化学株式会社ハウトフォーム使用)
  • 少量のポリビニルアルコール(PVA・洗濯のりでも可)

です。理由は後半で説明しますがシリカ粒子径に応じて色が出ます。粉体を扱うためのマスク・保護メガネ・ゴム手袋を装着したら、手順は以下の通りです。

1. まず原料を練り合わせます。PVAはそのまま加えてもダマになるだけなので、あらかじめ熱湯に少しずつ加えて溶かしておきます。泥団子を作る要領で、シリカに対して少量ずつPVA水溶液を足して練っていけばうまく塊を作ることができます。水を足しすぎたらドロドロになるので逆にシリカを足して粘度を調整します。

2. 任意の形に成型します。私は面倒なので手で棒状にしました。キレイな形を作りたい場合は「チョーク作り」でググればいろいろ出てくるので参考にしてください。

3.乾燥します。常温でもドライヤーや乾燥器を使っても構いません。PVAを多めに足せば急速乾燥でも崩れにくくなるはずです。

完成したチョークで描いた線が上図。単分散シリカ粒子径によって青、緑、赤へ色が変わっていく様子がわかります。上の写真ではわかりにくいですが、実際はもっと鮮やかに色が出ます。黒板は通常、コントラストの都合で緑がかったものが多いため、レイメイ藤井から販売されている真っ黒なものを使いました(濡らして消せるメリットもあるため)。

さて、これらは何故色がつくのか?魔法でも何でもなく、単分散シリカ粒子の特性を利用しています。一般的に粒子は光を散乱します。その背景を黒くしておくと余計な散乱光が吸収されるため、大きさが揃った粒子を利用すれば特定の色(粒径の倍くらいの波長?)が出るという仕組みです。トップの写真も単分散シリカ粒子を指でのばしただけのもので、色素は一切加えていません。

名古屋大学大学院 工学研究科 竹岡グループのコロイドアモルファスの研究内容を参考にしており、以下はその論文(Adv. Mater. 2017, 29, 1605050)の解説動画です。

グループの研究成果は去年のスポットライトリサーチでも紹介されています。

なお私自身は竹岡グループと面識があるわけでも、現状似たような研究発表をしているわけでもありません。研究用に購入した単分散シリカ粒子が余っているため、作業待ち時間に遊んで記事を書きました。1時間もあれば簡単にいろいろ確かめることができるので学生実験等の題材としておもしろいのではないかと考えています。

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大学JKから国研研究者になりました。エアロゲルなど多孔質材料作ったり卓上CNC切削したり共働ロボットで遊んだりしています。ピース写真付インタビューが化学の高校教科書に載りました。

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