-> Kompetenciák -> Anyagtudomány -> Fémhab -> Habfizika

s

s

Habfizika

A habok mind tudományos, mint technológiai szempontból rendkívüli érdeklődésre tartanak számot. Kutatásuk igazi interdiszciplináris terület, hiszen a habstruktúrák felépítésének, stabilitásának és tönkremenetelének mikéntjéhez a kémia, a fizika és a matematika eszközeit együttesen kell bevetnünk.

1.ábra. A habok kutatása felöleli a kémia, a fizika és a mérnöki tudományok világát is.
Forrás: Dennis Weairie, Stefan Hutzler, Making, Measuring and Modelling Foams, Europhysics News 1999.

Rengeteg természetes, vagy mesterségesen előállított habszerű anyag vesz minket körül a mindennapi életben. Gondoljunk csak a kenyérre, süteményre, a habfürdőre, a táblatörlő szivacsra, vagy házunk szigetelésére.

2.ábra. Egy természetes hab: forrásban lévő must egy avasi pincében.

Mi teszi lehetővé, hogy habok létrejöhessenek? Termodinamikai szempontból ezek a struktúrák instabil rendszerek, hiszen a gáz és a folyadék e furcsa keveréke arra törekszik, hogy minél kisebb legyen a határfelületük. Márpedig egy habnál rendkívül nagy felületek alakulnak ki, gondoljunk csak a sok-sok egymásba kapaszkodó buborékra. Valahogyan tehát stabilizálni kell ezeket a felületeket. Erre valók a felületaktív anyagok, amelyek jelentősen le tudják csökkenteni a felületi feszültséget, és megnövelni a felületi rugalmasságot (Gibbs-Marangoni hatás). A különféle vegyi anyagok helyett apró, a milliméter ezredrészének nagyságrendjébe eső részecskék is használhatók, amelyek a folyadék-gáz határfelületre "kiülve" és hálózatot alkotva ún. részecske-stabilizált habot hoznak létre.

Hogyan lehet habokat előállítani? Lehet egyszerű gázbefúvással, amikor a folyadékba csövön át juttatjuk a gázt. Lehet nukleációval is, vagyis a gázzal túltelített folyadék körül csökkentjük a nyomást s ez által buborékképződés indul meg. Ilyen például a szódavíz. De lehet egészen egyszerű keveréssel is, ahogyan a tejszínhabot készítjük (habverés). A tűzoltók pedig ún. habsugárcső segítségével állítják elő a tűzoltóhabot, amelyben a fúvókából nagy sebességgel kiáramló folyadék levegőt ragad magával útja során. A létrehozott hab további történetét a fizika törvényei határozzák meg.

A folyadékhabok tönkremeneteléhez vezető egyik folyamat a leszivárgás, amelyben a kulcsszerepet a gravitációs és a kapilláris erők működése játssza. A hab cellafalaiból a kapilláris erők révén a falakat összekötő csatornácskákba áramlik a folyadék, majd lefelé indul a gravitáció miatt. Így a hab teteje száraz, vagyis kevesebb, mint 1-2%-os folyadéktartalmú lesz és poliéderes szerkezetet vesz fel. A hab alja pedig nedves, magasabb folyadéktartalmú és a poliéderes cellák helyett gömbölyded buborékokkal találkozunk.

3.ábra. Vízbázisú hab szerkezete: Felül alacsony a folyadéktartalom, tehát poliéderes cellákat látunk. A folyadék-hab határfelület közelébe érve a hab egyre nedvesebb, a cellák jobban hasonlítanak a gömb alakhoz.

Egy másik fontos folyamat a durvulás, melynek során a buborékok közötti gázdiffúzió ahhoz vezet, hogy a nagyobb buborékok még nagyobbá válnak, a kisebbek pedig fokozatosan eltűnnek. A harmadik az összepukkadás folyamata. Ekkor az elvékonyodott cellafalak apró rezgés, mechanikai zavar, vagy hőfluktuáció hatására elszakadnak. Ún. áramlás pedig akkor jön létre, ha a habra valamilyen erő hat mechanikai kényszer, nyomáskülönbség, vagy egyéb környezeti hatás révén. Ekkor a buborékok elmozdulnak egymáson, a habszerkezet lassan átalakul. Természetesen a fent említett folyamatok nem függetlenek egymástól.

4.ábra. A habok életét befolyásoló négy alapvető kölcsönhatás diagramja.

A habokat habzóképességükkel ill. stabilitásukkal lehet egyszerűen jellemezni. A habzóképesség azt jelenti, hogy adott mennyiségű folyadékból és gázból adott módszerrel mekkora térfogatú hab készíthető, a stabilitás pedig azt, hogy a létrejött hab mennyi ideig képes megmaradni.