Суть пены — это захват большого объёма газа внутри небольшого объёма жидкости, при котором образуется совокупность пузырьков, разделённых жидкостными плёнками. Чистые жидкости плохо формируют стабильную пену, поскольку поверхностное натяжение способствует быстрому стеканию и истончению плёнок, что ведёт к их разрыву. Добавление поверхностно‑активных веществ (в основном ПАВ) меняет эту картину.
Механизм образования пены: растворённые ПАВ быстро мигрируют и адсорбируются на газо‑жидкостной границе. На поверхности плёнки гидрофобные хвосты ориентируются в сторону газа, а гидрофильные головки остаются в воде, что снижает поверхностное натяжение и облегчает образование и рост пузырьков. Под действием механических усилий (взбалтывание, перемешивание) в жидкость вводится воздух, и молекулы ПАВ молниеносно обволакивают пузырьки, формируя начальную пену.
Механизмы стабилизации пены: 1. Снижение поверхностного натяжения делает плёнку более устойчивой к сжатию и разрыву. 2. Образование билипидной адсорбционной плёнки: молекулы ПАВ адсорбируются с обеих сторон жидкостной плёнки, создавая прочный «щит», устойчивый к внешним воздействиям. 3. Эффект Марангони: при местном истончении плёнки концентрация ПАВ в этой зоне падает, возрастает поверхностное натяжение, и жидкость из областей с более высокой концентрацией автоматически перетекает в тонкую зону, «латая» её — процесс самовосстановления, препятствующий разрыву пузырька. 4. Зарядовая стабилизация: при использовании ионных ПАВ гидрофильные головки несут одинаковый заряд, вызывая взаимное отталкивание и предотвращая слияние пузырьков.
В повседневных продуктах (например, шампунях) обильная пена не только приятна для пользователя, но и способствует переносу эмульгированных масел и частиц грязи внутри плёнок, облегчая их смыв. В пищевых продуктах (взбитые кремы) природные эмульгаторы (белки) захватывают воздух при взбивании, создавая стабильную структуру, придающую десертам лёгкость. Понимание механизмов образования и стабилизации пены помогает точнее проектировать свойства продуктов под конкретные задачи.