完全な平面どうしは密着させるだけでつながる？

質問

いぜん、NHKのとある番組で、アルミかなにかの金属のカタマリふたつのそれぞれの面を、鏡よりも完璧な平面になるように研磨したあと、接着剤とかを一切使わずにグッと密着させるだけで完全にくっついてしまう、という実験をしてまして、この現象を知らなかった私はかなりビックリしました。
　この現象は理屈の上では、金属に限らず、どんな物質でも起こるものなんですか？
　また、この現象により接着したものは、完全に「一体化」してしまったんでしょうか？言い換えれば、もともとひとつの物体だったもののように、なんらの継ぎ目も残さず、完全に融合してしまったのでしょうか？
　この現象はなんと呼ばれているのでしょう？
　詳しい方、教えて下さい！

回答No.12

aster · ベストアンサー

＞この現象は理屈の上では、金属に限らず、どんな物質でも起こるものなんですか？

これは、固体を固体としてまとめ構成している分子間引力や結合力によるもので、原理的には、すべての固体物質同士で、こういう現象は起こり得ます。

ただ、色々と物質により「条件」が必要になり、日常的な固体物質のあいだでは、こういう現象は普通観測されません。

しかし、先の方が述べておられるように、真空での金属などの場合は、条件を人為的に整えないでも、真空に磨いた金属を露出させているだけで「条件」が整うことがあり、接合が起こり得ます。

液体の場合を考えてみてください。水に水を注ぎ加えると、普通は、一体化して、どれが最初の水で、後から入れた水と最初の水の「境界」はどこにあるのか、と言っても、そんなものはありません。完全に一体化してしまいます。

液体一般は、同じ種類の液体だと、こういう風に、境界なく混合してしまいますし、異種の液体でも、混合することが多いです（水と油のように、混合しない液体同士も無論あります）。

液体の場合は、簡単に一体化するのに、固体の場合は、何故簡単に一体化しないか。それは、液体は、確かに分子構造を持っていますが、分子と分子のあいだの結合が緩やかな力でつながっていて、「三次元的立体的に」、分子構造が決まっていないからです。

液体に同種の液体を注ぐと、液体の分子同士で、緩やかな結合を取るので、簡単に混じり合って一体化してしまうのです。

固体物質で、こういうことが起こらないのは、まさに、立体的三次元的に、分子結合が構成されているからで、また、通常の固体は、空気中にあると、表面が酸化等して、化学変化を起こし別の物質分子になっているので、同種の固体を押しつけてと思っていても、あいだに異種の物質があって、接合しないのです。

液体などの場合も、酸化などで変質しますが、全体が変質する訳ではなく、例えば、油だと、表面だけが酸化して膜になるが、なかは質の変化を起こしていないので、表面の変質した液体とは混じらないが、なかの変質していない液体とは混合して一体化することができます。

しかし、固体の場合、酸化膜などの表面の別の物質で被われた「内部」に、どうやって、例えばアルミの分子面を接触させるか、液体と違って、固体のなかに入って行ける訳でないので、簡単に接合・一体化が起こらないのです。

ただし、蝋などの物質は、長時間重ねて置くと、一方が他方のなかに、沈み込んで一体化するというようなことがあります。これは、ガラスもそうですが、これらは、非晶質と言い、丁度、液体と固体の中間のような構造になっているからです。

岩石でも、長い時間で見ると、同じような性質があります。ただ、岩石の場合、同種物質というのが難しいので、そのままでは、一体化しません。

「接合・一体化が可能な条件」というのは、その固体物質の分子結合というか、結晶の三次元的な構造が影響します。金属の場合も、三次元的構造があり、結晶なのですが、結合のために、微妙に決まった方向に原子が並ぶ、組立立体パスルのように、凸部と凹部が組み合わさらねばならない、というような厳しい条件ではありません。

従って、アルミとか、鉄の表面を十分に綺麗にし、純粋な鉄やアルミが露出するようにして、同じように条件を整えた面と接合し、「圧力」を加えると、平面がほぼ完全である場合、分子間結合が、二つの面のあいだ生じ、接合が完成し一体化します。

この場合、平面の度合いは、分子の結合力が到達する範囲の誤差で、互いに接合できるような条件でなければならず、一部はそういう条件になっているが、他の部分はそうでないと、条件にあった部分だけが接合し、そうでない部分は、接合していないという状態になります。

「圧力」をかけるのは、普通の状態で押しつけただけでは、突起部などが少しでも残っていると、それに邪魔されて、分子同士が結合できる距離にまで平面が接近しないからです。

かなりな圧力を加えると、平面に多少の不整合があっても、押しつけられることで、互いに分子の露出した面が、くっつき合う距離になるので、分子結合が成立し、接合し、一体化するのです。

完全な平面や、完全に不純物のない表面を造ると、圧力をかけなくとも、触れさすだけで、接合します。粘着テープや接着剤の固まり始めた場所に指を触れると、くっつくのと同じことです。

鉄などだと、色々な不純物を混ぜて合金にしていることが多いので、うまく分子と分子が接合しないことも起こり得ます。つまり、単一物質の固体で、しかも分子の立体構造が比較的融通のきく物体なら、このような方法で接合できるということです。

接着剤は、まさに、複雑な構造の固体物質の分子構造と、かなり自在に分子結合できるような物質で造られていて、最初液状なのは、相手の固体表面の分子構造に応じて、それに応じた結合を接着剤の分子で選択できるように、丁度、液体が混じり合うのと同じ原理で、分子結合を築くためです。

普通、二つの表面に接着剤を塗って、乾燥しかけると、接着剤同士を接合して、これで接着ということになります。接着剤同士は、同じ物質構造で、また完全に乾燥していない状態だと、分子結合力の活性が残っているからです。完全に乾燥すると、活性は消えます。

水晶と水晶でも接合しますが、水晶の場合、結晶の分子配列が非常に規則的で、立体的に方向を持った整列構造なので、この整列方向とうまく整合しないと、水晶同士の接合は不完全になります。非常に微妙で精密な結晶格子と、方向も含めて接合させるというのは、難しいのです。

無理に接合させても、結晶の配列方向が違っている接合面が後の残ります。そして、この接合面を境にして、水晶の結晶整列の方向が違っていることになります。

シリコンウェハースの場合は、普通、エピタキシャル成長という方法で結晶を造り、薄板（ウェハース）は、この成長軸と垂直な面で切断して薄い板にするので、ウェハース同士では、結晶の並んでいる三次元的方向が揃っているのです。それ故、水晶の場合には非常に難しかった、結晶配列の立体的方向性の条件が、整っているので、接合が可能になります。

異物質の固体同士の接合になって来ると、水とアルコールは溶け合うが、水と油は溶け合わないのと似て、接合できる場合とできない場合などが出てきます。

なお、金属などだと、溶けるまで熱しなくとも、ある程度熱を加えて、不純物を十分に除去した面を圧力をかけて押しつけ合うと、平面がそれほど完全でなくとも、接合し一体化します。これは、熱によって、結合性が高まり、そこに圧力が加わるので、金属面が融通を持って、結合する方向へと曲がるためです。しかし、圧力が小さいと、あいだに空気が入ったりします。

また、熱ではなく、超音波と圧力で接合させる方法もあるようです。

この現象は、一般的には「接合」ですが、「固相接合」というのではないでしょうか。あいだに、はんだや銀ろうなど、また接着剤を使うのも、もしかたら、固相接合かも知れませんが。

お礼

スゴーーーー！！
我が目を疑うテキスト量、疑問を残さぬ精緻な解説、おまけに読みやすさを考慮した段落分け！！
パーフェクトとしか形容できません。手間を度外視した親切さもありがたいの一言。
参考書が執筆できそうですよね。自分も今後、回答者の側に廻ったときはぜひ見習いたいものです。
まことに、ありがとうございました！

回答No.2

acacia7

物質表面はいろんな場合があるのですが・・
表面の原子の手がぶらぶらしている場合があります。
そういう場合は、同様にぶらぶらした手（ダングリングボンド）
をもった表面がくると本当に物質内部と同様に結合する場合があります。
この場合は、No.1の方のおっしゃるパターンとはことなり、
本当に一体化します。
金等の展性の高い金属は少々ゆがんだ結合でも結合するため、
現象は発生しやすいと思われます。
イオン結晶などの場合は引力と斥力と両方が発生してしまうのでなかなか
一体化することはないとおもわれます。
また、反応性の高い原子が表面に並んで居る場合は、気相の原子と結合して、
「ダングリングボンド」が終端されてしまうと安定な表面となるため
この様な現象は起こりづらくなります。

お礼

ありがとうございます。
　んー、ちょっと聞きなれない言葉ですね。
　でも、フィーリング的にはなんとなく分かったような気がします。
　予備知識なしで理解するのは高望みっぽいですね・・・

回答No.1

kabasan

吸盤と同じ原理ですよ。

わずかでもザラザラしているとひっついた面に容易に空気が入り、別れることが出来ますが、完全な平面に近づくと、密着面に空気が入ることが出来なくなるのです。
金属のように堅い物でないと、いくら鏡面に近づけてもはがれ易くなります。吸盤も端からめくれば簡単にめくれるでしょう？
現象の名前とすれば「吸着」でしょうね。一体化したわけではありません。

ガラス板や下じきを水で濡らしてくっつけても同じ様なことがおこります。

お礼

さっそくの回答、ありがとうございます。
　うーん、残念なんですが、大気圧による吸着とは別物なんです。これは番組中で言っていたので間違いありません。
　実験に使われたのは、すごく小さい金属片なんです。２つの金属どうしの接触面積は、恐らくエンピツの断面くらいしかありませんでした。
　もし大気圧だけによる吸着でしたら、その程度の面積のことですから、あまり大きな負荷には耐えられないと思います。
　ですが番組では、ゲストとして出ていた柳沢しんごが両手で力いっぱい離そうとしても、まるで溶接してあるみたくビクともしませんでした。
　説明では、「原子どうしの引力がどうのこうの」と言っていたんですが、いまいちよく分かりません。