揭曉流變學(xué)的科學(xué)機(jī)制怎樣“扭一扭”能將奧利奧餅干的奶油平分？

我們在吃奧利奧餅干的時候， 總是不自覺地想起這句廣告語——“扭一扭、舔一舔、泡一泡”。

通常，我們將奧利奧“扭一扭”之后，會發(fā)現(xiàn)一種普遍現(xiàn)象：餅干中的奶油夾心粘在雙層餅干其中的一塊，而不是被平均地分成兩份。

近日，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家針對這一現(xiàn)象展開了研究。

2022年4月19日，相關(guān)論文以《關(guān)于奧利奧學(xué)，研究奧利奧夾心餅干的斷裂和流動》為題發(fā)表。

“扭一扭”和科學(xué)機(jī)制有什么聯(lián)系呢？原來，當(dāng)我們扭轉(zhuǎn)餅干時，這背后的原理與流變學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)測試類似。也就是說，當(dāng)非牛頓流體在壓力的作用下產(chǎn)生扭曲、擠壓時以怎樣的方式流動。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的本科生范瑞對媒體表示：“有一個非常有趣的問題，就是如何在讓夾在兩塊餅干之間的奶油均勻地分布，而且事實證明這個問題很難。”

那么，對餅干的扭轉(zhuǎn)壓力在奶油是如何發(fā)揮作用的？針對該問題，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊針對餅干做了標(biāo)準(zhǔn)流變學(xué)的相關(guān)實驗。

他們使用不同口味及數(shù)量的餅干進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，無論其他因素（如奶油的口味、數(shù)量等）如何變化，位于奧利奧餅干中間位置的奶油在“扭一扭”時，幾乎都是粘在夾心餅干中的一塊，而不是被均分在兩塊餅干上。

當(dāng)然，也有個例，那就是在時間相對較久的舊餅干，奶油偶然會被均勻地粘在兩塊不同的餅干上。此外，他們還注意到，奶油偏愛粘著的餅干也有規(guī)律可循，這與在餅干盒子的原始位置相關(guān)，并推測與餅干制作后的環(huán)境有關(guān)。

研究人員通過觀察研究發(fā)現(xiàn)，奶油多數(shù)會粘在位置向內(nèi)的餅干上。舉例來理解這種規(guī)律，如果是將餅干盒左側(cè)的奧利奧扭轉(zhuǎn)分開時，奶油則會粘在右側(cè)的餅干上;與之相反，位于餅干盒右側(cè)的餅干，奶油則幾乎粘在左側(cè)的餅干。

手動扭轉(zhuǎn)是這樣的現(xiàn)象，那么使用專門的設(shè)備，有控制地將奧利奧餅干進(jìn)行不同程度的扭轉(zhuǎn)，奶油的狀態(tài)會不會不同？為確認(rèn)該問題，該團(tuán)隊制作了一款用于3D打印的裝置， 名字叫做“Oreometer”。使用Oreometer裝置，能把奧利奧餅干很好地固定，并可調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)餅干的壓力。

對于奧利奧所需的扭矩，該團(tuán)隊也進(jìn)行了相關(guān)測量。他們發(fā)現(xiàn)，奧利奧“扭一扭”所需的扭矩類似于日常生活中轉(zhuǎn)動門把手的扭矩，大概是扭開瓶蓋所需扭矩的1/10。

研究人員通過觀察奶油在不同壓力下的反應(yīng)， 因而將奶油質(zhì)地與“ 糊狀” 趨于相同，這和易碎、堅韌或橡膠狀有本質(zhì)性的不同。他們通過各種實驗，推測造成夾心奶油偏愛只粘在一塊餅干的原因在于制造過程。

在餅干的制作過程中，他們也有新發(fā)現(xiàn)。奧利奧餅干的制作過程是，先將一塊餅干放下， 然后為該餅干“分配”奶油，再將第二塊餅干置于奶油上面。“顯然，一點時間延遲可能會使奶油更好地粘在第一塊餅干上。”該論文第一作者、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程博士生克里斯托·歐文斯表示。

歐文斯的研究方向為3D打印以及可打印流體墨水的流體力學(xué)和流變學(xué)。將奧利奧和流變學(xué)產(chǎn)生“關(guān)聯(lián)”的推測，是來自歐文斯在普林斯頓大學(xué)的相關(guān)工作，早在2016年就有物理學(xué)家提出，“實際上，當(dāng)用手扭轉(zhuǎn)奧利奧時，奶油幾乎總是從一個餅干上脫落。”因此，她關(guān)注到其中與夾心餅干有“異曲同工之處”。

“從科學(xué)上講，夾心餅干呈現(xiàn)了平行板流變測量的范式模型，其中流體樣品（ 奶油） 被夾在兩個平行板（餅干）之間。當(dāng)餅干反向旋轉(zhuǎn)時，奶油會變形、流動并最終破裂，導(dǎo)致餅干分成兩塊。”歐文斯說。

當(dāng)然，奧利奧奶油和流體的特性并不完全相同， 但奧利奧奶油也有其特點，像“屈服應(yīng)力流體”一樣，作為柔軟的固體它不受其他因素干擾。但是，在壓力達(dá)到一定程度時， 便會產(chǎn)生流動，這與日常生活中的牙膏、糖霜、膏狀化妝品等類似。

“我的3D打印流體與奧利奧奶油屬于同一類材料， ” 歐文斯說， “ 因此，當(dāng)我嘗試從碳納米管漿液中打印柔性電子產(chǎn)品時，這種新的理解可以幫助我更好地設(shè)計墨水，因為它們以幾乎完全相同的方式變形。”

為量化奶油的流動性，研究人員針對不同夾心、不同口味的奶油夾心餅干進(jìn)行了實驗。他們把奧利奧在Oreometer裝置的頂板和底板位置進(jìn)行固定，然后以變化的扭矩和角度進(jìn)行測試，并通過觀察每個餅干扭曲分離時的相關(guān)數(shù)值，再把測量結(jié)果代入方程式。此外，他們還詳細(xì)地記錄了每次實驗中餅干被扭開時，奶油的最終狀態(tài)及位置。

在該實驗中， 研究人員的實驗樣本為20盒左右的奧利奧餅干，其中無論夾心還是餅干都豐富多樣，例如普通、雙份和超級份的夾心，還有普通、黑巧克力和“黃金”威化餅干。但即便這些變量因素不同，結(jié)果卻很一致，那就是最終當(dāng)“扭一扭”打開奧利餅干時，奶油夾心絕大多數(shù)與其中一塊餅干粘在一起。

那么，這個結(jié)論未來對哪些領(lǐng)域有啟發(fā)呢？科學(xué)家研究奧利奧的“扭一扭”，通過對奶油特性等深入研究，未來對其他復(fù)雜流體材料從設(shè)計到制作或?qū)⑻峁┬滤悸贰67AA87E-A05C-48A2-8F52-59820305BB14