Do Ultrafine Bubbles Work as Oxygen Carriers?

Langmuir 2023, 39, 4, 1354–1363
Published January 17, 2023

導入：私たちは「目に見えない泡」に何を期待しているのか？

農業の収穫量アップ、水処理の効率化、さらには先進医療での酸素供給。近年、さまざまな分野で「魔法の技術」として期待を集めているのが、直径100μm未満の微細な泡「ファインバブル（FB）」です。

一般に、1μm（1000ナノメートル）未満のものは「ウルトラファインバブル（UFB）」と呼ばれ、その目に見えないほど小さな泡が酸素をたっぷり抱え込み、対象へと運ぶ「酸素の運び屋」であると信じられてきました。しかし、最新の研究はこの魅力的なストーリーに真っ向から異を唱えます。私たちが信じてきた「泡が酸素を蓄えている」というイメージは、実は科学的な実態とは異なっていたのです。

驚きの事実①：ウルトラファインバブルは「酸素の運び屋」ではなかった

これまで、UFB水が酸素を豊富に含むのは、無数の泡の中に酸素が閉じ込められているからだと考えられてきました。しかし、100〜200nmという主要なサイズのUFBを精密に解析した結果、衝撃の事実が浮かび上がりました。UFBそのものは、酸素キャリア（運び屋）としてほとんど機能していなかったのです。

その証拠となるのが、驚くべき「少なさ」です。計算によれば、水中に存在する全てのUFBが仮に酸素で満たされていたとしても、その総体積が保持できる酸素量はわずか0.0002 mg/L程度。これは、バブル水が示す「過飽和な酸素量」に対してあまりにも微々たる数字です。

「100〜200 nmのUFB自体は酸素キャリアとして機能せず、FB分散液における酸素の過飽和状態は、FB生成過程で準備された溶存酸素の過飽和状態によるものであることが明らかになった。」（出典：CONCLUSIONSより引用・翻訳）

研究データでも、UFBの数と水中の酸素含有量の間に相関関係は認められませんでした。

驚きの事実②：なぜ「酸素たっぷり」なのか？過飽和の真犯人

では、バブル水に含まれる大量の酸素の正体は何なのでしょうか。その「真犯人」は、泡そのものではなく、生成時の**「加圧溶解プロセス」**にありました。

多くのUFB生成装置は、高い圧力をかけて気体を水に強引に押し込む手法を採用しています。これは、高い圧力をかけるほど気体が液体によく溶けるという物理法則（ヘンリーの法則）を応用したものです。いわば、水分子の隙間に無理やり酸素分子を詰め込んでいる状態です。

実験では、溶解圧力を1.0 MPa、3.0 MPaと高めるほど酸素含有量は劇的に増加しました。決定的なのは、0.3 MPaという低圧条件のデータです。この条件では、水中には確かにバブルが生成されているにもかかわらず、酸素含有量は過飽和状態（36.0 mg/L以上）には届きませんでした。つまり、「泡があるから酸素が多い」のではなく、「圧力が高いから酸素が（溶存状態で）多い」というのが真実なのです。

なお、1〜100μmの「マイクロバブル（MB）」については、UFBよりは酸素含有量との相関が見られましたが、それでも過飽和の主因と呼ぶには不十分な結果でした。

驚きの事実③：理論を裏切る「消えない泡」のミステリー

物理学の基本である「ヤング・ラプラス式」によれば、100 nm程度の泡は内部圧力が極めて高く、約30気圧にも達します。これは、パンパンに膨らんだ風船の口を開けっ放しにしているようなもので、内部のガスは周囲の水中へと一気に押し出され、泡はわずか数十マイクロ秒で消滅するはずなのです。

しかし、現実のUFBは数日間も消えずに残り続けます。このミステリーを検証するため、研究チームは酸素を極限まで抜いた「脱気水」にUFB水を混ぜる実験を行いました。もし泡が酸素を貯蔵しているなら、周囲の酸素が薄い環境では酸素が逃げ出し、泡はすぐに縮小・消滅するはずです。ところが、UFBは脱気水の中でもサイズを変えず、安定して存在し続けました。

「UFBの安定性はまだ明らかになっていない……（中略）……ラプラス圧の観点からは、UFBの寿命は75.36〜77.83μsと計算され、バブルは瞬時に溶解して消失することを意味する。しかし、多くの実験データはUFBが水中で数日間から数週間存在することを示している。」（出典：INTRODUCTIONおよびExperiment 2より引用・翻訳）

理論上は存在し得ないはずの「消えない泡」。この異常な安定性の背景には、表面のOH⁻（水酸イオン）による電気的な反発や、水素結合による特殊な「要塞」のような構造が関わっている可能性が示唆されています。

驚きの事実④：酸素とバブルは「別々の時計」で動いている

この研究の最も鮮やかな証明は、バブル水の酸素と泡が「全く無関係に振る舞う」ことを示した点にあります。貯蔵条件を変えた実験では、両者はまるで別々の時間軸（時計）で動いているかのようでした。

酸素含有量の時計： 容器の蓋を開けたり温度を上げたりすると、水に溶けていた「溶存酸素」は物理法則に従って速やかに空気中へ逃げていきます。
UFB濃度の時計： 一方で、水中のUFBの数やサイズは、蓋の有無や温度変化にほとんど影響されず、極めて安定したままでした。

もし酸素が泡の中にパッキングされているのであれば、酸素が減るときには泡の数も減るはずです。しかしそうならない事実は、「酸素は泡の外（水中）に溶けており、泡は単なる同居人に過ぎない」ことを決定づけています。

結論：この発見が未来の技術をどう変えるのか？

「ウルトラファインバブルは酸素を運んでいない」という結論は、一見するとこの技術への期待を裏切るものに思えるかもしれません。しかし、これは技術の価値を否定するものではなく、むしろ「正しく再定義」するものです。

UFB生成装置は、単に泡を作る機械ではなく、**「極めて効率的に酸素過飽和水を作り出し、かつ、そこに物理的に安定した気泡を共存させるシステム」**であると理解すべきです。酸素は溶存状態で即効性を発揮し、消えない泡（UFB）はまた別の、未知の役割を担っているのです。

最後に、知的好奇心を刺激する問いを残しておきましょう。もしバブルが酸素を運んでいるのではないとしたら、UFBが生物の成長を促したり、洗浄力を高めたりするあの不思議な効果の正体は、一体何なのでしょうか？

論文では、泡の表面に並ぶ「OH⁻（水酸イオン）」や、それらが水そのものの構造に与える影響に、そのヒントが隠されている可能性を指摘しています。魔法の泡の「真の能力」を解き明かす冒険は、まだ始まったばかりです。

本稿は、掲載論文に基づき生成AIを用いて要約・表現を作成しています。内容の正確性には配慮していますが、解釈や表現の過程で不正確な記載が含まれる可能性があります。正式な情報は原論文をご確認ください。