Пена в чашке, в море и в ванной — это сложная структура из пузырьков газа, окруженных стенками из какой-нибудь жидкости. Структура пены — универсальный способ экономично упаковывать пространство, поэтому невероятно много вещей вокруг сильно напоминают пену.

Как образуется пена

Сколько бы мы ни взбалтывали воду в стакане, она так и будет спокойно кружиться, но стоит туда добавить мыла и перемешать, как сверху тут же образуется пена. Молекулы воды так устроены, что притягиваются друг к другу, но не к молекулам воздуха, потому что водород и кислород в них связаны ковалентной полярной связью. Это создает поверхностное натяжение и мешает образованию пены, очень быстро разрушая редкие возникающие пузырьки.

Именно из-за трехслойного устройства стенки мыльного пузыря он так переливчато окрашен. Свет отражается от внешнего и от внутреннего краев стенки пузыря и вовсю использует свойство инетрференции.

Молекулы мыла устроены значительно хитрее — это длинные цепочки из атомов углерода и водорода. Один конец такой цепочки гидрофильный (любит быть в воде), а другой — гидрофобный (совсем не любит). Поэтому молекулы мыла выстраиваются на поверхности воды: гидрофильными концами в воду, а гидрофобными — в воздух. Те молекулы мыла, что находятся в толще воды, очень хотят попасть на границу с воздухом (их гидрофобный конец совсем не хочет быть в воде) и отчаянно туда пробиваются. Втискиваясь между молекул воды, мыло снижает количество связей между молекулами воды и понижает поверхностное натяжение. Если мы коснемся мыльным пальцем стакана, в который вода налита с горкой, горка тут же выльется; если простым пальцем — останется стоять.

Стоит нам взболтать эту конструкцию с мылом — и образуется пена. Взбалтывать нужно, чтобы нарушить плоскую поверхность воды и пропустить газ (в данном случае воздух) в жидкость — это обязательное условие образования пены.

Мыльные пузыри устроены довольно просто — это воздух, окруженный стенкой из мыльной воды. Стенка эта трехслойная – это слой воды, окруженный с двух сторон молекулами мыла. Эти два слоя мыла с одной стороны понижают поверхностное натяжение воды, а с другой препятствуют ее испарению — поэтому пузырьки могут прожить достаточно для того, чтобы сформировалась пена.

Белковая пена

Пенка на капучино возникает похожим путем: струя пара взбивает молоко. Только вместо молекул мыла главную роль в поддержании жизни пузырьков там играют белки молока. Но у этих белков есть страшный враг — глицерин, который разрушает белки. Глицерин возникает в молоке из-за распада молекул жиров. Распад начинает происходить еще задолго до того, как молоко начнет скисать — достаточно воздействия света и тепла. Потому если хотите, чтобы молоко хорошо пенилось, оно должно быть свежим (глицерин не успел образоваться) и маложирным (глицерину изначально не из чего образовываться).

Пена в морской воде тоже образуется из-за белков и прочих органических веществ. Эти вещества — продукт жизнедеятельности микроорганизмов. Когда эти микроорганизмы сильно размножаются, пляжи становятся похожи на пенные вечеринки.

A little experiment a day

Однажды в редакцию T&P привезли мороженое в коробках с сухим льдом, который нельзя есть, держать в руках, но можно использовать для науки. Сухой лед — это твердая форма углекислого газа. Когда мы помещаем его в теплую жидкость, он нагревается и превращается в газ. Газ активно выделяется во все стороны и буквально газирует нашу воду (ведь все лимонады газированы именно CO2). А мыло позволяет пузырькам дольше прожить — так что пена хорошо держится.

Структура пены

Структурно всякая пена — это набор многогранников (в некоторых случаях сфер) разного размера и с разным количеством граней. Эта структура очень часто встречается в нашем мире: на пену похожи клетки в древесной коре, многие нано-структуры, пятна на шкуре жирафа. Недавние расчеты распределения галактик во вселенной показали, что и галактики расположены подобным образом. Вселенная издалека сильно напоминает пену: трехмерные многогранники, где в их вершинах и на гранях будут скопления галактик, а между ними (в глубине многогранников) — более разряженные области.

Пена — это очень экономичная структура с точки зрения заполнения пространства. Возможно, поэтому она так часто встречается. В 1887 Лорд Кельвин — тот самый, что придумал абсолютный ноль, — задался вопросом: как бы разбить пространство на кусочки одинакового объема с минимальной общей площадью поверхности. В 1993 году была разработана модель Уэйра-Фелана, описывающая подобную пене структуру из двух видов многоугольников одинакового объема (теоретическая модель регулярной пены), которая оказалась прекрасным решением «проблемы Кельвина».