カテゴリー: サイエンス

  • まわりに化学な人はいますかい?

    PCR、PCR!ねこもしゃくじもおたまじゃくしもPCR。
    世に出てるウイルス対策、菌とウイルスの区別もないままだから、なんか一周回ってちょっと面白い感じになっちゃってるじゃん。なんでこんなことになってるん?? 鬼退治にはめざしにヒイラギがいいんですよごとき滑稽さを訳知り顔で話してて、冗談なのか本気なのかわけわからなくて、ちょっと逆に現状が怖いわ。

    高校で理系と文系でわかれてしまう上に、理系のなかでも受験だと点のとりやすい物理を選ぶ人が多いので化学履修はちょっと別。
    というか、そもそも化学は理系のなかでも、ちと特殊ゆえ大抵校舎の一番奥においやられる存在だったのを思い出した。だから化学にたいするあれこれはそもそも知られてないし、前提知識のないひとには危ないので机上のことしか教えられない。

    でも、あまりに世間がPCRPCR言うので、はるか昔の記憶が堀りおこされた。化学科についてのあれこれを書いてみようかなと思う。

    20年前、学生数数万人いる大学でも化学科は学年100人程度、さらにPCRをつかうようなことをやってたのは自分のいた1つの研究室だけ、十数人しかいなかった。そこに他の超マンモス大からも修士博士の子がきてたので、日本における人口あたりの割合はもっとすくないはずだ。今の日本に、できる人がいなくて当たり前じゃないか。

    なぜ化学科は隔離されるのか

    サイエンティストの定冠詞はマッドだからだよ。・・・バジンガ!

    長野サリン事件のとき第一被害者であったはずの方が化学科卒というだけで、容疑者となったのを知っている方はいるだろうか。ひどい捜査だと思ったが、わからなくもない。

    高校で化学を選択履修すると、ニトログリセリンや黒色火薬の合成法が教科書に載っている。そして、大学の前期には教養レベルの段階でサリンの合成なんて「あんなものの合成なんて簡単なんだよ」ってのたまいながら合成スキームを書く有機化学とかの教授に出会うことになる。

    あるいは、化学というとコントなどで博士はいつも爆発しているイメージがあるかもしれない。たしかに、扱い間違えればビルがまるごと吹っ飛ばせるような物は保管されてるし、そうじゃなくても不幸にして事故はおきることはあるだろう。うちらの代だと粉体研で、みんなが映画や小説で知っている粉塵爆発がおきて救急車騒動になってた。

    ABC兵器という言葉がある。核兵器、生物兵器、化学兵器だ。だが、どれもまあ化学科の学部生レベルがやるようなことの延長でしかない。だから化学科というのはどこの大学でもたいていひと目につかないところにひっそりあるし、簡単には移転などができない。

    医者や薬剤師のように街中で見かける白衣な人たちと違って、化学な人は卒業後、研究職や専門職につくと分野が先鋭化していくので分野外への転職が普通はなされず、また企業も研究部門の秘密が漏れると存続問題になるため、囲い込みをされ、ますます世間と隔絶していく。
    だから居ない人のまわりには本当にいない。たまに俺みたいに野良落ちしたのがいるかもしれない。氷河期世代はコンピューター系とかを中心に結構ちらばっているかも。
    そういえば、数年前、東京大学やそのあと企業でもウイルスをやってたって人にあったことがある。ウイルスをやってた人は更に少ないと思う。でも美術館のお仕事でお会いした・・・。

    リベラルアーツなどに力をいれている大学では化学の実験や教育をされているが、そんな大学は今でも稀でまだ国内には数校しかないように思う。だからほんと知らない人の知識は「理科」で終わってしまっていて、それがアップデートされる機会は永遠にこない。なぜなら雑学じゃない生きてるウェットな化学は、そもそも独学実習が法律的にも許されないからだ。

    もし遺伝子操作系実験をするためBSL(バイオセーフティレベル・バイオハザード)が設定されている研究室にはいれば、必然、放射線同位体も扱うことになるので、放射線管理区域のハザードマークまでついてくる。
    劇物ももりだくだ。日常的につかう遺伝子染色をおこなうエチブロなんかは、DNAを染色するためのものなので、ちょいと皮膚に触れればもれなく癌化してくれることになるだろう。 法律的にも部外者の立ち入りは制限されるが、そうじゃなくても、あぶなくって入れられないよね。まじ危険。

    高校生がキサントプロテインとかでお手々を黄色くしたり、ヨウ化銀で手を黒くしたり、液体窒素を頭からかぶってキャッキャしているのから大人にならねばならない。

    遺伝子操作系は、自分が組み替え体になっていないことを確認するため、血液採取などもおこなう。PCRはそういう研究過程でおこなわれる。

    今、各大学の研究室にどれだけPCRできるかみたいなお問い合わせを官庁がしているらしい。 それはレストランのキッチンにも流しがあるんなら、緊急時ならうんこも流せるよなという要請にほかならない。

    化学科は大変

    遊んでばかりのキャンパスライフ。
    残念だな。それは幻想だ。

    座学とは別に実験レポート実験レポート実験レポートだ。
    だから化学科の子はバイトに多くはいったり外の学科の子とは遊ぶことがまずできない。

    週に実験がいくつも重なると一週間でレポート用紙が一冊なくなる。
    実験は数コマぶち抜きなので、一回休むと出席回数がいきなり足りなくなりアウト。翌年のその時間には別の実験がまってるのでどちらにしろアウト。
    図書館で資料を探しながら実験計画をたてたりスキーム考えたり仮説をたてて実験してレポートをまとめる。
    実験の種類も、有機や無機、物理、化学工学とかあっちゃこっちゃ。

    考査試験も大変。
    教科書やノート、はたまた教科によってはコピーまで持ち込み自由なものがあったりする。なんだ、かんたんじゃんと思うかもしれない。
    残念。記憶力勝負とかじゃぁないのだよ。数学の試験に教科書を持ちこむようなものだ。 ただし公式は無尽蔵に近いほどありますみたいな世界。

    触媒や反応経路など無数にある。将棋の試合に詰将棋の本を持ち込んで挑むようなもの。こっからこれを合成しなさいみたいな問題だと、図書館並みの資料が横にあってもわずかなテスト時間内に正解を導きだすのは困難だ。思いつかねぇぇで頭かきむしったところで、教科書に正解が載っているわけではない。 途中経路はどこでもいいけど時間内に目的の駅にはついてねみたいな感じ。 ただし予め使いそうな時刻表は自分で用意しておきなさいってことだ。

    そんなだから、必修科目なのに合格率2割だったりものがあったりして、一年履修の課目でも4年でも2割の学生はとれずに卒業できない。俺も3年から4年にあがるとき留年した。就職活動説明会に行った帰り、研究室配属見に行ったら名前がなくて留年ですと言われて膝から崩れ落ちたもんだ。
    4年で落としたやつはもっと深刻。就職が決まってたり、他大の院へ進学が決まってたりしたやつもいたりして・・・あ、これは化学科の問題じゃなくて、うちの大学、というかある教授固有の問題か。話しがそれてきた。友人に8年ひっぱっちゃったやつがいたが、こないだ会ったとき、いまだに夢でうなされると言っていた。怖い。罪深い。

    ぐちぐちと関係ないこと書いてたら長くなったので、また続きはこんど。
    Civilization VI やらなきゃいけないんだ。ぼかぁ。あ、そうだね、化学な人はCiviとか好きだとおもう。逆もしかりかな?

  • ガソリン爆発、京都アニメーション、水素燃料

    京アニの放火に巻き込まれた方が2ヶ月以上、経った今、また一人が亡くなられた。 先日全員快方へと報道があったばかり、また一人、才気溢れ若く前途有望なクリエイターが失われた。
    深い悲しみとともに、ご冥福をお祈りします。

    京アニ放火、玄関から逃げた女性死亡…死者36人に
    https://www.yomiuri.co.jp/national/20191005-OYT1T50170/

    犯行動機が「書いていた小説がパクられた」というなんとも頭を抱えてしまうものであるようだが、いまだ犯人の逮捕に至っておらず被疑者の回復を待っている状態である、言いたい事は山程あるが、犯人についてはここで私などが言っても詮無き事なので触れるのを辞めておこうと思う。

    ガソリン放火

    犯行の手段であるガソリンを用いた放火について。

    この事件が起きるまで、実は私はガソリンはなかなか爆発しないものだと思っていた。 無知だねと思われるかもしれないが、言い訳をすると、少しだけ専門知識がある故、一周回って無知になっていた。
    自分は大学の化学科を出ている。化学科を出るとガソリンスタンドの危険物取扱者の乙種4類を持っている資格の一個上の危険物を全種類取り扱える甲種の受験資格がおまけでついてくる。資格は取得していないが、その程度には可燃性危険物の危険性は知識としては持っていたつもりになっていた。

    さて、なんで爆発しないと思っていたのかについてだが、ガソリンというものは、空気中の酸素と気化したガソリンである可燃性混合ガスの比率割合のレンジが非常にシビアに狭いため、濃度が一定以下でも、一定濃度以上でも爆発しない特性があるのだ。だから簡素なガソリンタンクに保管できるし、車にガソリンを入れるために蓋をあけた静電気で着火しても、ガソリンタンクに火が回り込んで吹き飛ばずに済んでいる。
    素人がセルフで給油できるぐらいには、安全な危険物なのだ。

    だから、たとえ車が横転して火がついても、よほどの事がないと爆発しないし、十二分の避難の時間があるものだと思っていた。実際にF1などでも消化器で消火できている。

    ガソリンの爆発限界は1.1~7.6%と非常に狭い。かつ、密閉容器内で放っておくと56~79%まで気化するため、タンク内は自然と7.6%以上の濃度になるので火がタンク中にまで回りこまない。

    容易に着火はするが、爆発させるには条件がある。これがガソリンの特性だ。

    2003年の名古屋の立てこもり放火では、ガソリンを撒いてから着火まで3時間があった。この3時間で予混合がおきたため、着火時に爆発がおきた。・・・と考えられていた。

    だが、今回はガソリンを撒いた犯行直後、みなが逃げ遅れる火災が起きた。

    拡散燃焼

    ガソリン爆発でないなら、では、京都アニメーションでは何が起きたのか。
    ガソリンを撒き散らして火を着けた。化学的には拡散燃焼と呼ばれる現象だ。

    爆発音が聞こえたとの証言もあるが、一部条件が揃ったところで、爆発がおきたかもしれないが、建物の内圧が高まって大きく吹き飛んでいないことからも、起きたのは爆発ではなく拡散燃焼からの予混合火炎であろう。

    火災と、爆発では100倍ぐらい早く、発熱速度も100倍になる。
    だが爆発は起きなくとも、通常の火災より素早い火炎の伝播がおきる。

    ガソリンスタンドも少なくなった昨今では灯油のストーブも無くなりつつある。
    ガソリンの気化がマイナス40℃で始まるのに対して灯油は44℃まで温めてあげないと火もつかない。

    もし灯油を零してしまっても、すぐには火がつかないから安心して後始末ができる。・・・はずだ。
    だが、その灯油でさえ、芯を使わなくても火をつける方法がある。
    火炎放射器のように噴霧にしてから火をつければ拡散燃焼により素早く火炎が燃え広がる。

    福知山花火大会露店爆発事故は、温めた炭酸のようにガソリン携行缶からガソリンが噴霧状に吹き出し、その先に火種があったことで被害が拡大した。

    京都大学が放火火災の分析をしてくれている。

    図5
    5秒で螺旋階段が煙で埋まり、わずか10秒で1階は約 1218℃にもなる。
    15秒で3階階段が煙で埋まり41℃、20秒で3階が255℃になる。
    20秒で3階が352℃、30秒で2階上部まで煙で埋まり164℃。

    今回は火災発生現場と上階まで抜ける螺旋階段をつたって煙突効果で火が上階まで登ってしまった、外部非常階段がなかったなどの建築構造物などのいくつもの不幸もあったが、なによりも、犯人はバケツにガソリンを入れて撒き散らかすことで火災延焼の速度を知ってから知らずか獲得してしまった事が最大の不幸だ。

    仮設トイレでメタン爆発

    仮設トイレでタバコを吸ったために爆発がおきて亡くなられたという、なんとも可哀想な事件がアメリカの方でおきた。

    糞尿からメタンガス(いわゆるおならの成分)が立ち上り、これに火がつくことで爆発がおきたわけだ。
    上のガソリンとメタノール(簡単にいうとメタンガスの液体)の図にもある通り、メタノールの爆発限界は6.7~36%と結構広い。(メタンガスだと5~15%?)

    メタンの爆発事故は地中でメタンアーキアなどの微生物による分解の過程で生じるため、温泉ガスなどに交じることもあるので、比較的頻繁に爆発事故がおきていて、大惨事になることもある。

    爆発の常識

    トイレが爆発するなんて思って生活している人などほとんどいないだろう。

    原発がある町で小学校時代を過ごした。
    「原発ってのはとても頑丈に作っているからジャンボジェットで突っ込んでも大丈夫なんだ!!」と大人たちは言っていた。福島原発事故がおきるまで、私もそれを疑おうともしなかった。

    ガソリンも爆発はなかなかしないものだ。比較的扱いやすいものだと考えていた。
    もしかしたら火炎瓶闘争世代が、意図してガソリンの危険性を下の世代に教えないようにしたのかもしれないが、安全性バイアスであったのかもしれない。

    例えばタワーマンションでの火災は、防炎扉でほとんど被害が十二分な消火や避難の時間は稼げる設計になっているはずだ。
    だが、悪意をもってエレベーター付近で凶行に及ばれた場合、それらの安全策はどこまで機能するだろうか。それが拡散燃焼ではなく爆発だった場合は?

    テロのソフトターゲット以外でもロンドンのグレンフェル・タワー火災のように、施設の老朽化とともに通常火災が深刻化するというのは十分に想定しうる未来だが、残念なことに、悲劇というのは起きてみないとそのような事が起きるなど思いもしない事ばかり。

    水素燃料と水素爆発

    福島原発で建屋を吹き飛ばしたのは水素爆発である。
    水素は水に電気を流すだけでもつくることができる基本的な元素だ。
    昨今は、燃料電池などとして期待されていて、ガソリン車の代わりに水素燃料電池の車や鉄道などが開発されている。

    だが、この水素控えめに言ってもこと爆発に限ってはガソリンなどと比べるべくもない超危険物質である。

    燃焼限界:水素4-75% メタン5-15%
    着火:水素0.02mJ メタン0.3mJ

    つまり、水素は低濃度でも高濃度でも爆発する。
    静電気のパッっていう火花すら必要ない。ガソリンなどは、酸素濃度で爆発しないようコントロールできるが、水素は燃焼に酸素を必要としないのでできない。
    つまり、水素がこんにちはしたら爆発までは時間の問題だ。

    水素「きちゃった・・・。」

    水素下限4%上限75%

    水素は静電気のパッチっというのの1/10ぐらいのエネルギーで火が着く

    爆発は2.67乗、威力150倍

    水素燃料電池おっかねぇ

    参考

    2017年度「東京大学公開講座「爆発」」
    ガス爆発・粉じん爆発の現象解析と防御技術
    土橋律「ガス爆発・粉じん爆発の現象解析と防御技術」ー公開講座「爆発」2017
    https://www.youtube.com/watch?v=xLpRQ5eSQZ8

    2019年7月18日に京都アニメーション第1スタジオで発⽣した放火火災の分析
    https://www.dpri.kyoto-u.ac.jp/news/12644/
    http://www.dpri.kyoto-u.ac.jp/contents/wp-content/uploads/2019/08/Analysis-of-Kyoto-Animation-Arson-Fire_20190802-1.pdf

    仮設トイレ爆発炎上で黒こげ遺体 タバコ吸ったとたんに爆発か
    https://news.nicovideo.jp/watch/nw6007988

    https://www3.nhk.or.jp/news/html/20190605/k10011940911000.html
    燃料は水素 JR東日本 燃料電池で走る鉄道車両開発へ
    2019年6月5日 4時15分
    JR東日本は、燃料電池で走る鉄道車両を開発し、2020年代半ばの実用化を目指すことになりました。

  • 枯れ葉

    落ち葉の掃除が大変な時期がやってきた。掃いた端から降ってくる。
    なんで植物は冬に葉を落とすという進化をしたのだろうか?
    冬葉が生えたっていいじゃないか。

    針葉樹は冬にも葉を落とさないが、広葉樹のほうがより進化適応した植物だと習った記憶がある。

    では進化の途中で、夏は葉っぱを広げて、秋口からは松みたいな芯芽を生やしておけば冬でも光合成できるではないか。冬と夏で日照時間が短くなるとはいえ、光合成に必要なエネルギーが得られないほどだとは思えない。もし、冬は光合成できないほどであれば、太陽光発電なぞは夏だけ稼働するものになってしまうだろう。
    効率坊の植物はいなかったのかな?

    光合成の速度はともかくとしては、水分の蒸散の速度は違うだろうなとは思う。
    だが植物は、夏毛と冬毛を生え変わらすことをせずに、冬はいっそ諦めるという潔さをとった。不思議だ。

    なぜ、丸坊主になるまで葉を落とすのだろうか。まてよ、草なんかはいっそ枯れてしまって、冬場は種とか球根になってしまうやつまでいる。お前ら冬で諦めすぎじゃね?冬は諦めて冬眠でもするのが自然の摂理なのかもしれない。だとしたら俺も冬眠したい。

    蒸散の速度が原因?

    葉による水分の蒸散速度が低下することが影響するのはなんだろう?
    カルビン回路か、懐かしいね。暗反応とかあったな。二酸化炭素の固定にも水は必要だよね。もう、こうなってくるとわからないからぐぐろう。

    個葉の光合成速度が決まるしくみと測定原理
    > 数種常緑広葉樹の光合成・蒸散速度の日変化と季節変化について 小杉緑子・小橋澄治・柴田昌三


    図2蒸散速度の日変化および季節変化

    季節変化では夏と冬の差が非常に顕著で,冬はほとんど蒸散しない


    図3光合成速度の日変化および季節変化

    秋以降低下するアラカシ,クスノキに対して,マテバシイでは秋でも夏と変わらない光合成活動が見られた。

    あはぁん~。
    うん、まあ予想通り。
    夏冬で、蒸散速度は結構違うけど、冬でも光合成してる植物はいるみたい。

    マテバシイは、どんぐりの木、ブナ科の常緑高木。あれ、どんぐりの木って、冬は葉っぱを落とさなかったっけ?そういえば近所の御神木のスダジイとか冬も葉っぱついているな。少し考えたら、生け垣のネズミモチとか、広葉樹だけど冬にも葉をつけっぱなしのやつは多いぞ。あれ、冬に葉を残すのは針葉樹だけじゃないのか・・・。

    ・・・。
    そういえば、広葉樹にも枯れて葉を落とすやつもいれば、落とさないやつもいるね……。
    はい、終了。

    冬といえば針葉樹という頭があって、夏場は広葉樹で、冬場は針葉樹になるハイブリッド種ができたら最強じゃね!?とか思ったけど、別に広葉樹の葉っぱのまんまでいけたみたい。

    なんか、特別な進化上の淘汰があって、そういう進化をしたやつもいたけれども気候に対して過剰最適した結果、気候変動とかで滅びたのかなとかまで考えたんだけど、冬は寒から諦めるよーってやつもいれば、諦めないやつもいる。植物の世界は存外多様性があった。

    目につく枯れ葉にだまされるな。冬来たれり。