ミセル自己集合ラボMicelle Self-Assembly Lab

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 水の中にせっけん分子を少しずつ増やしていくと、分子はいつも集まると思いますか。それとも、ある数をこえたときに集まりはじめると思いますか。As you slowly add more soap molecules to water, do you think they always gather together, or do they start gathering only after some number is passed?💡 情報パネルに表示される「CMCの目安」の数に注目しましょう。Pay attention to the "CMC" number shown in the information panel.
2. まわりが水ではなく油ばかりになったら、せっけん分子の集まりでは頭(親水基)と尾(疎水基)のどちらが外側を向くと思いますか。If the surroundings were all oil instead of water, which part do you think would face outward in a group of soap molecules: the head (hydrophilic) or the tail (hydrophobic)?💡 それぞれの部分は、水と油のどちらになじみやすいでしょうか。Which does each part get along with: water or oil?

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(石鹸分子の数 120個、油の量 0%(水中))で数秒観察し、ミセルの外側と内側にどちらの部分(赤い親水基・黄色の疎水基)が並ぶか、水分子ドットがミセルの内部に入るかを確かめる。In the starting state (Soap molecules 120, Amount of oil 0% (in water)), watch for a few seconds. Check which part (red hydrophilic head or yellow hydrophobic tail) lines the outside and inside of each micelle, and whether water dots get inside a micelle.
2. 「石鹸分子の数(濃度)」を 60個 → 85個 → 150個 → 200個と変え、それぞれ数秒待って情報パネルの状態と「単独」「集合」「ミセル」の数を記録する。Change "Soap molecules (concentration)" to 60 → 85 → 150 → 200, wait a few seconds each time, and record the status and the "Single", "grouped" and "micelles" numbers in the information panel.
3. 200個から 60個に下げて、ミセルがどうなるかを観察する。Lower the number from 200 to 60 and watch what happens to the micelles.
4. 「油の量」を 30%(水+油滴=乳化)にして、油滴の縁に並ぶ分子の向きと「被覆率」を確認する。次に分子の数を 10個にして「かき混ぜる」を押し、被覆率と油滴の数の変化を見る。Set "Amount of oil" to 30% (water + oil drops = emulsion) and check the orientation of the molecules on the edge of the oil drops and the "coverage". Then set the molecules to 10, press "Stir", and watch how the coverage and the number of oil drops change.
5. 分子の数を 150個、「油の量」を 90%(油中)にして、逆ミセルの向きを観察する。さらに分子の数を 50個に下げて状態の変化を見る。Set the molecules to 150 and "Amount of oil" to 90% (in oil) and observe the orientation in the reverse micelles. Then lower the molecules to 50 and watch how the status changes.

3確かめようCheck

1. 水中(油の量 0%)で、分子が 60個、85個、150個、200個のとき、それぞれどうなりましたか。In water (oil 0%), what happened with 60, 85, 150 and 200 molecules?→ 60個では「分子は単独で溶けている」でミセルは0個、85個では「CMC付近(核になる分子がまだ足りない)」でまだ集合しなかった。150個ではミセルが約6個、200個では約9個でき、どの場合も単独の分子は約80〜86個のままで、CMC(約80個)をこえた分が集合した。At 60, the status was "Molecules dissolve one by one" with 0 micelles; at 85 it was "Near the CMC (not enough molecules to start a micelle)" and no groups formed yet. At 150 about 6 micelles formed and at 200 about 9; in each case about 80-86 molecules stayed single, and the extra molecules beyond the CMC (about 80) grouped together.
2. 水中のミセルでは、外側と内側にどの部分が並んでいましたか。水分子ドットはどこにありましたか。In the micelles in water, which part was on the outside and which on the inside? Where were the water dots?→ 外側はすべて親水基(赤い頭部)、内側に疎水基(黄色の尾部)が隠れていた。水分子ドットは頭部の層の外側に押しのけられ、ミセルの内部には入らなかった。The outside was covered entirely by hydrophilic heads (red), and the hydrophobic tails (yellow) were hidden inside. The water dots were pushed outside the head layer and never entered the micelle core.
3. 油の量 30% で、分子が多いときと 10個のときで、油滴はどう違いましたか。At 30% oil, how did the oil drops differ between many molecules and only 10?→ 分子が多いと頭部を水側・尾部を油側に向けて油滴の縁をおおい、被覆率100%で「油滴は合体しない」と表示された。10個では被覆率が20%以下で「油滴が合体する」となり、かき混ぜて分けた油滴がまたくっついて数が減った。With many molecules, they covered the edge of the oil drops with heads toward the water and tails toward the oil, coverage was 100%, and the panel said "drops stay apart". With 10, coverage was below 20%, the panel said "oil drops merge", and drops split by stirring joined together again.
4. 油の量 90%(油中)では、分子の集まり方はどうなりましたか。分子を 50個に減らすとどうなりましたか。At 90% oil (in oil), how did the molecules gather? What happened when you reduced them to 50?→ 親水基が内側で中の水を囲み、疎水基が外側を向く「逆ミセル」ができた。50個に減らすとCMCより少なくなり、「油中で分子は単独で溶けている」となって逆ミセルは0個になった。"Reverse micelles" formed, with the hydrophilic heads inside surrounding water and the hydrophobic tails facing out. Reducing to 50 put the number below the CMC, the status became "Molecules dissolve one by one in oil", and there were 0 reverse micelles.

4考えようThink further

1. 水中でせっけん分子が親水基を外側、疎水基を内側に向けて集まるのはなぜでしょうか。Why do soap molecules in water gather with their hydrophilic heads outside and their hydrophobic tails inside?→ 疎水基は水となじまないので、尾部どうしで集まって水にふれる部分を減らした方が安定する。外側を水となじむ親水基がおおうことで、集まり全体が水中にとどまることができる。油中ではなじむ相手が逆になるので向きも逆になる。Hydrophobic tails do not mix with water, so it is more stable for them to cluster together and reduce their contact with water. With water-loving heads covering the outside, the whole cluster can stay in the water. In oil, the preferred partners are reversed, so the orientation is reversed too.
2. せっけんで洗うとき、せっけんが少なすぎるとよく落ちないのはなぜでしょうか。このシミュレーションの結果をもとに説明しましょう。Why does washing work poorly when there is too little soap? Explain using what you saw in this simulation.→ 分子が少ないとCMCに届かずミセルができないうえ、油滴の表面をおおいきれず(被覆率が低い)、分けた油滴がまた合体してしまう。十分な量があると油滴は表面をおおわれて合体せず、水中に散らばったままになる。With too few molecules, the concentration does not reach the CMC so no micelles form, and the molecules cannot cover the oil drop surfaces (low coverage), so split oil drops merge again. With enough soap, the drops are covered, stay apart, and remain spread through the water.

よくある誤解Common misconceptions

• 「せっけん分子は少しでも入れればすぐにミセルになる」という誤解。CMC(このモデルでは約80個)をこえるまでは分子は単独で溶けており、こえた分だけが集合する。"Even a little soap forms micelles right away." Until the CMC (about 80 molecules in this model) is passed, the molecules dissolve one by one, and only the extra molecules group together.
• 「一度できたミセルはずっとそのまま」という誤解。ミセルは分子が出入りする動的な平衡状態で、濃度をCMCより下げると単独の分子に戻る。"Once a micelle forms, it stays forever." Micelles are in a dynamic equilibrium with molecules coming and going, and they break back into single molecules when the concentration drops below the CMC.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)