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?cè)诔詩(shī)W利奧餅干的時(shí)候， 總是不自覺(jué)地想起這句廣告語(yǔ)——“扭一扭、舔一舔、泡一泡”。

通常，我們將奧利奧“扭一扭”之后，會(huì)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(duì)這一現(xiàn)象展開(kāi)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(dòng)》為題發(fā)表。

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

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的本科生范瑞對(duì)媒體表示：“有一個(gè)非常有趣的問(wèn)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(shí)證明這個(gè)問(wèn)題很難?！?/p>

那么，對(duì)餅干的扭轉(zhuǎn)壓力在奶油是如何發(fā)揮作用的？針對(duì)該問(wèn)題，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)針對(duì)餅干做了標(biāo)準(zhǔn)流變學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

他們使用不同口味及數(shù)量的餅干進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，無(wú)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(shí)，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(gè)例，那就是在時(shí)間相對(duì)較久的舊餅干，奶油偶然會(huì)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(ài)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(cè)與餅干制作后的環(huán)境有關(guān)。

研究人員通過(guò)觀察研究發(fā)現(xiàn)，奶油多數(shù)會(huì)粘在位置向內(nèi)的餅干上。舉例來(lái)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(kāi)時(shí)，奶油則會(huì)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(dòng)扭轉(zhuǎn)是這樣的現(xiàn)象，那么使用專(zhuān)門(mén)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(huì)不會(huì)不同？為確認(rèn)該問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)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(duì)于奧利奧所需的扭矩，該團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了相關(guān)測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)，奧利奧“扭一扭”所需的扭矩類(lèi)似于日常生活中轉(zhuǎn)動(dòng)門(mén)把手的扭矩，大概是扭開(kāi)瓶蓋所需扭矩的1/10。

研究人員通過(guò)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(jiān)韌或橡膠狀有本質(zhì)性的不同。他們通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)，推測(cè)造成夾心奶油偏愛(ài)只粘在一塊餅干的原因在于制造過(guò)程。

在餅干的制作過(guò)程中，他們也有新發(fā)現(xiàn)。奧利奧餅干的制作過(guò)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(diǎn)時(shí)間延遲可能會(huì)使奶油更好地粘在第一塊餅干上?！痹撜撐牡谝蛔髡摺⒙槭±砉W(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?yàn)?D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(cè)，是來(lái)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(shí)際上，當(dāng)用手扭轉(zhuǎn)奧利奧時(shí)，奶油幾乎總是從一個(gè)餅干上脫落?！币虼耍P(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(cè)量的范式模型，其中流體樣品（ 奶油） 被夾在兩個(gè)平行板（餅干）之間。當(dāng)餅干反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，奶油會(huì)變形、流動(dòng)并最終破裂，導(dǎo)致餅干分成兩塊。”歐文斯說(shuō)。

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(diǎn)，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(shí)， 便會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，這與日常生活中的牙膏、糖霜、膏狀化妝品等類(lèi)似。

“我的3D打印流體與奧利奧奶油屬于同一類(lèi)材料， ” 歐文斯說(shuō)， “ 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(shí)，這種新的理解可以幫助我更好地設(shè)計(jì)墨水，因?yàn)樗鼈円詭缀跬耆嗤姆绞阶冃??！?p>

為量化奶油的流動(dòng)性，研究人員針對(duì)不同夾心、不同口味的奶油夾心餅干進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。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(cè)試，并通過(guò)觀察每個(gè)餅干扭曲分離時(shí)的相關(guān)數(shù)值，再把測(cè)量結(jié)果代入方程式。此外，他們還詳細(xì)地記錄了每次實(shí)驗(yàn)中餅干被扭開(kāi)時(shí)，奶油的最終狀態(tài)及位置。

在該實(shí)驗(yàn)中， 研究人員的實(shí)驗(yàn)樣本為20盒左右的奧利奧餅干，其中無(wú)論夾心還是餅干都豐富多樣，例如普通、雙份和超級(jí)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(kāi)奧利餅干時(shí)，奶油夾心絕大多數(shù)與其中一塊餅干粘在一起。

那么，這個(gè)結(jié)論未來(lái)對(duì)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(guò)對(duì)奶油特性等深入研究，未來(lái)對(duì)其他復(fù)雜流體材料從設(shè)計(jì)到制作或?qū)⑻峁┬滤悸?。F67AA87E-A05C-48A2-8F52-59820305BB14