ガラスとガラスを引っ付けると剥がれにくくなるのは何故？

ガラスに上にガラスを載せると、ガラスが引っ付いてしまって剥がれにくくなります。この剥がれにくいという現象はいったいどんな力が加わっているのでしょうか？教えて下さい。

No.14 回答者： noname#5675 回答日時： 2003/04/08 23:04

chikutaku10です。

蛇足ながらコメントです。

No.11で1気圧以上の付着力がないとくっつかないだろうという認識で書いてしまいましたが、これはNo.13で指摘されているように間違いです。失礼いたしました。大気圧というのは非常に大きな力だということを忘れていました。

ナノレベルの表面間距離になってくるとファンデルワールス力の影響が無視できなくなってくるということですね。

ともあれ質問者さんそっちのけで話を進めてしまって恐縮です。専門的過ぎると感じるようでしたら遠慮なくおっしゃって頂ければ幸いです。

No.13 回答者： hagiwara_m 回答日時： 2003/04/07 11:52

hagiwara_mです。

No.12の方が吸盤の例を出されていますので、関連する補足をいたします。

吸盤で本質的なことは、多少変形しても気密を保つような接触面で壁と接していること、そして、接触部分で囲まれた真ん中付近の空間が広がろうとするような力がかかっていることです。

この「広がろうとする力」によって、接触面中央付近の応力が１気圧より小さくなるとき、大気圧によって押し付けられる効果が（壁との接触としては縁の部分に）現れます。

変形し易い薄い板ガラスの真ん中付近だけを引っ張り上げるような特別な場合には、こうした吸盤効果も効くかも知れません。しかし、通常のガラス固体間に働く引力には関係していないと思います。

私が(昔)経験した実験では、光学研磨した10mm厚程度のガラスブロックを２枚重ね、上のブロックだけを持って下のブロックをぶら下げることができました。このときの引力効果は、大気圧より大きい必要はなく、ガラスの重量に勝る相当分(大体0.0025気圧)あれば十分です。

No.12 回答者： altctrldel 回答日時： 2003/04/06 14:19

ガラスに吸盤がくっつくのと同じでやはり大気圧なのでは

ないでしょうか。
吸盤は引っ張るととれませんが、端をめくると簡単に
取れてしまいます。
ということは分子間引力ではないと思いますが。

No.11 回答者： noname#5675 回答日時： 2003/04/04 21:16

No.6,8で回答した者です。

No.10のご指摘を拝読してファンデルワールス力を否定してしまったのは早合点かと思い、調べてみました。

表面間距離がDの表面間に働くファンデルワールス力による付着圧力Pは

P=A/(6πD^3)

だそうです。
（J.N.イスラエルアチヴィリ「分子間力と表面力 第2版」朝倉書店 p.175）

AはHamarker定数でたいていの物質では10^(-19) Jとのことです。計算すると

D=0.2nm → P=6.6x10^8 N/m^2 （約7000気圧）
D=10nm → P=5.3x10^3 N/m^2 （約0.05気圧）

表面間距離の-3乗に比例するので、表面が離れるにしたがってかなり急激に減少するようです。たぶん日常使っているようなガラス板同士では1気圧以上の付着力を実現するのは難しそうな気がします。ただし、十分平滑で清浄な表面同士なら、可能だと思われます。

私も非常に勉強になっています。回答者の分際で恐縮ですが、hagiwara_mさんありがとうございました。

本音を申しますと、気圧説（？）にこだわったのは、マクロな現象で説明できるだろうと考えたからです。1m四方くらいの大きな板同士を急に接近させぴたっと合わせようとすると、張り合わされる直前の瞬間に、間に挟まれた空気の抵抗を感じますよね。逆に、これを急に引き離そうとすると、空気が流れ込むまでの間、板の間は気圧が低い状態になり、引力を感じる。
こうした現象と同じなんじゃないか、と思ったわけです。

私の考えにも欠落しているところがあるかと思いますので、どなたかご指摘頂ければ幸いです。

No.10 回答者： hagiwara_m 回答日時： 2003/04/04 19:28

この問題に関する詳しい知識は持っておりませんが、気づくことをコメントいたします。

多くの酸化物ガラスは、SiO4四面体の構造単位が不規則的につながって不規則網目の骨格をつくり、これに、Na,B,Alなどの修飾イオンが取り込まれた構造をしています。化学結合は基本的に極性共有結合で、ローカルな結合の方向性もかなり強いと考えられます。したがって、ガラス転移温度（ガラスが軟らかくなる温度）以上に加熱しない限り、別々のガラス固体の間に化学結合が成立することは困難と思います。

一方、空気の圧力の効果ですが、これには誤解され易い重要な注意点があります。固体の表面層は、空気からの圧力を受けると同時に、内部からの抗力（原子間反発力による応力に基づいています）を受け、両者が釣り合って、合力ゼロになっています。ここで、２つの物体を接触させても、状況はほとんど変わらないことに気づかれると思います。空気の圧力が、物体の動きに影響を与えるとすれば、それは、大気圧と異なる圧力部分が物体に接するどこかに生じるときだけです。固い２つのガラスが、平らな面で接していて、これを離そうとするときに、このような低圧部分が生じることは考え難いです（表面張力の強い水などで濡らすときは別ですが）。

こう考えると、残るのは、ファン・デア・ワールスの力ぐらいだというのが私の見解です。（より詳しい方のご批判お待ちします．）

No.9 回答者： Mell-Lily 回答日時： 2003/03/30 02:08

いま、銅の塊が一つあるとしましょう。

この銅の塊は、膨大な数の銅原子から成り立っています。逆に言えば、膨大な数の銅原子があれば、それらは、一つの塊を成すわけです。二つの銅の塊を接触させたとすると、接触面の銅原子の状況は、銅の塊の中の原子の状況と何の違いもありません。したがって、接触面の銅原子同士は、結びつくのです。ガラスでも同じです。

上述の内容が、今回の質問の解答として適切であるかは、分かりませんが、ファインマン物理学の記述に言及すれば、銅と銅の接触やガラスとガラスの接触によって、結合が生じていると書かれているのだと思います。

No.8 回答者： noname#5675 回答日時： 2003/03/29 20:21

No.6です。

余計なおせっかいかもしれませんが我慢して読んで頂ければ幸いです。

二つのガラス板が原子レベルでくっついたり結合したりしたわけではないことを直観的に理解するには、剥がれにくいにもかかわらず相互に滑らせるのは比較的容易だ、ということを思い起こせば良いだろうと思います。気圧が原因であることの間接的な証明といえるでしょう。

ちなみにNo.7で挙げられているファインマン物理学では、2つの銅版が一体化する（境界が消える）必要条件として真空下で表面の不純物をきれいに除去することを挙げています。表面上に異分子がある場合（つまり通常の場合）は一体化したとは見なせないことも言及しています。
ガラスについては「濡れた」場合にくっつくと述べられており、今回のような乾燥条件ではくっつくとは言っていません。
濡れた場合にくっつくというのも、ファインマンが解りやすさを優先したためにややあいまいに書いたように見えます。少なくともガラス同士が一体化し結合が生じているかのような書き方はしていません。

このような非結合性の力でくっつく原因としてほかに考えられるのはファンデルワールス力（ちょっと乱暴ですが万有引力みたいなものと思ってください）と静電力です。ただ、前者は我々が感じうる力の強さに比べて十分小さいと思われ、後者も同じガラス板同士で異種帯電するとは考えにくいのでほとんど影響しないでしょう。

ウンチクを並べてしまってすみません。
でもファインマンの本は物理の面白さを一般の人にも感じさせてくれる良い本ですので機会があれば一読をお勧めします。

No.7 回答者： Mell-Lily 回答日時： 2003/03/27 19:27

ガラス板を水で濡らして、ガラス製のコップを置き、コップに紐を掛けて引っ張ります。

すると、大きな抵抗を感じ、ガラス板の上に引っ掻き傷が残ります。これは、ガラスとガラスの密接な接触によって、ガラス同士がくっ付いたからです。『ファインマン物理学 (1) 力学』p169を参照してください。

No.6 回答者： noname#5675 回答日時： 2003/03/27 17:40

真空にでもしない限り、表面には多かれ少なかれ酸素や窒素などのガス分子が吸着しています。

表面をくっつければそれらをはさみ込むことになるので必ずしも境界がなくなるわけではありません。また、ガラスには自由電子は存在しませんのではり合わせたガラス同士で金属結合を形成することはありません。（No.4,5さんごめんなさい）

私としてはNo.2,3のご回答のようなことが主因だろうと思います。
これは真空中ではり合わせた時の剥がれやすさを大気中の場合と比較することで実証できます。もし実験室が使える環境におられるなら、光学顕微鏡での観察に使うガラスプレートをはり合わせて片方のプレートに糸をつけるなどして真空デシケータ内にぶら下げ、減圧してみるとよいでしょう。十分真空度が上がれば、糸でつながれていない方のプレートは剥がれて落下すると思います。

No.5 回答者： Mell-Lily 回答日時： 2003/03/24 01:12

境界と言いますか、つまり、二つの塊が合わさって、一つの塊になるということです。

周知のように、銅板とは、銅原子が寄り集まったものです。銅原子の間を自由電子が飛び交って、金属結合を形成しています。すると、本来、二つの銅の塊をくっ付ければ、そのまま一つの塊になる筈ですね。ガラスとガラスをくっ付けたときに、そういうことが実際に起こっているといことです。