Schiuma

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Schiuma marina.
Schiuma di bolle di sapone.
La struttura di Weaire-Phelan.
Memoria di forma di una schiuma solida.

Una schiuma è un colloide formato dalla dispersione di un gas in un mezzo liquido. La dispersione può avvenire anche in un mezzo continuo solido, producendo in questo caso una schiuma solida.

Le schiume sono ampiamente osservabili in natura, basti pensare alla schiuma di un'onda marina, e sono generalmente ottenute per dispersione meccanica della fase gassosa in una fase condensata. Ad esempio, il moto energico dell'onda marina permette di inglobare all'interno della fase liquida molecole gassose di aria formando una schiuma. L'industria produce diverse tipologie di schiuma destinata a svariati usi, tramite insufflazione diretta di gas ad alta pressione o sfruttando agenti schiumogeni. Questi ultimi possono agire in due modi diversi: sono generalmente sostanze o che tendono a liberare gas in seguito a decomposizione o che tendono a diminuire la tensione superficiale (tensioattivi).

Schiume liquide vengono comunemente sfruttate in ambito cosmetico, altre applicazioni riguardano ad esempio la lubrificazione, la pulizia e il trattamento anti-ossidante di parti metalliche. Gli estintori sfruttano una schiuma liquida per "soffocare" il fuoco e bloccare in tal modo un incendio. Tra le schiume solide, ben note sono ad esempio quella poliuretanica e il polistirene espanso, possiedono bassa densità e sono eccellenti isolanti termici. Grazie alla loro leggerezza e compressibilità sono ideali per l'imballaggio; trovano utilizzo anche come additivi utilizzati per la flottazione.

La schiuma rappresenta anche un sottoprodotto indesiderato di vari processi industriali, soprattutto nei casi in cui sono implicati processi biochimici (come nell'industria alimentare). Ad esempio, le proteine presenti in soluzione tendono a formare facilmente una schiuma in seguito ad agitazione meccanica o aerazione e ciò rappresenta un problema in quanto viene alterato lo scambio di ossigeno con la fase liquida, e ciò è un presupposto per l'instaurarsi di fenomeni fermentativi batterici. Al riguardo è possibile addizionare degli agenti anti-schiumogeni, per contrastare questo effetto.

Indice

Struttura della schiume

Le schiume reali possiedono tipicamente una struttura disordinata e al loro interno esiste una varietà di bolle di diversa dimensione. Lo studio teorico delle schiume ideali è strettamente legato ai concetti di riempimento spaziale e di superfici minimali.

Struttura di Weaire-Phelan

Gli irlandesi Denis Weaire e Robert Phelan nel 1993, sfruttando simulazioni al computer, elaborarono un modello geometrico ritenuto ottimale per la descrizione della partizione dello spazio in celle di eguale volume e con la minima estensione superficiale. Tale modello di struttura implica due tipi di celle di eguale volume: i tre quarti delle celle hanno la topologia di un tetrakaidecaedro (poliedro con 14 facce) con 2 esagoni e 12 pentagoni con facce leggermente curvate, mentre le restanti hanno la topologia di un dodecaedro.

Leggi di Plateau

  1. I film di sapone sono costituiti da superfici interamente lisce.
  2. La curvatura media di una porzione di film di sapone è sempre costante in ogni punto sulla stessa parte di film.
  3. I film di sapone si incontrano sempre a tre a tre e lo fanno a un angolo di 120°, formando un bordo chiamato bordo di Plateau.
  4. Questi bordi di Plateau si incontrano quattro a quattro a un angolo di circa 109,47° per formare un vertice.

Le strutture che non rispettano le leggi di Plateau sono instabili e tendono rapidamente al riarrangiamento.

Schiume solide

Le schiume solide, in relazione alla struttura dei loro pori, si possono suddividere in due tipi. Il primo tipo e detto schiuma strutturata a "cella aperta" e contiene pori interconnessi l'uno all'altro a formare una rete di interconnessione. Il secondo tipo di schiuma non contiene pori interconnessi ed è detta schiuma a "cella chiusa".

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