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怎样“扭一扭”能将奥利奥饼干的奶油平分？MIT团队揭晓流变学的科学机制

 2 years ago
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麻省理工科技评论-怎样“扭一扭”能将奥利奥饼干的奶油平分？MIT团队揭晓流变学的科学机制
怎样“扭一扭”能将奥利奥饼干的奶油平分？MIT团队揭晓流变学的科学机制
我们在吃奥利奥饼干的时候，总是不自觉地想起这句广告语——“扭一扭、舔一舔、泡一泡”。通常，我们将奥利奥“扭一扭”之后，会发现一种普遍现象：饼干中的奶油夹心粘在双层饼干其中的一块，而不是被平均地分成两份
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我们在吃奥利奥饼干的时候，总是不自觉地想起这句广告语——“扭一扭、舔一舔、泡一泡”。

通常，我们将奥利奥“扭一扭”之后，会发现一种普遍现象：饼干中的奶油夹心粘在双层饼干其中的一块，而不是被平均地分成两份。

（来源：MIT）
近日，麻省理工学院（MIT）的科学家针对这一现象展开了研究。

4 月 19 日，相关论文以《关于奥利奥学，研究奥利奥夹心饼干的断裂和流动》（On Oreology, the fracture and flow of “milk's favorite cookie”）为题发表在 Physics of Fluids 的特刊 Kitchen Flows 上[1]。

图丨相关论文（来源：Physics of Fluids）
“扭一扭”和科学机制有什么联系呢？原来，当我们扭转饼干时，这背后的原理与流变学的标准测试类似。也就是说，当非牛顿流体在压力的作用下产生扭曲、挤压时以怎样的方式流动。

MIT 机械工程系的本科生范瑞（Max R.Fan）对媒体表示：“有一个非常有趣的问题，就是如何在让夹在两块饼干之间的奶油均匀地分布，而且事实证明这个问题很难。”

那么，对饼干的扭转压力在奶油是如何发挥作用的？针对该问题，MIT团队针对饼干做了标准流变学的相关实验

他们使用不同口味及数量的饼干进行测试，结果发现了一个有趣的现象，无论其他因素（如奶油的口味、数量等）如何变化，位于奥利奥饼干中间位置的奶油在“扭一扭”时，几乎都是粘在夹心饼干中的一块，而不是被均分在两块饼干上。

当然，也有个例，那就是在时间相对较久旧饼干，奶油偶然会被均匀地粘在两块不同的饼干上。此外，他们还注意到，奶油偏爱粘着的饼干也有规律可循，这与在饼干盒子的原始位置相关，并推测与饼干制作后的环境有关。

（来源：Physics of Fluids）
研究人员通过观察研究发现，奶油多数会粘在位置向内的饼干上。举例来理解这种规律，如果是将饼干盒左侧的奥利奥扭转分开时，奶油则会粘在右侧的饼干上；与之相反，位于饼干盒右侧的饼干，奶油则几乎粘在左侧的饼干。

手动扭转是这样的现象，那么使用专门的设备，有控制地将奥利奥饼干进行不同程度的扭转，奶油的状态会不会不同？为确认该问题，该团队制作了一款用于 3D 打印的装置，名字叫做“Oreometer”。使用 Oreometer 装置，能把奥利奥饼干很好地固定，并可调节扭转饼干的压力。

图丨Oreometer 装置（来源：MIT）
对于奥利奥所需的扭矩，该团队也进行了相关测量。他们发现，奥利奥“扭一扭”所需的扭矩类似于日常生活中转动门把手的扭矩，大概是扭开瓶盖所需扭矩的 1/10。

研究人员通过观察奶油在不同压力下的反应，因而将奶油质地与“糊状”趋于相同，这和易碎、坚韧或橡胶状有本质性的不同。他们通过各种实验，推测造成夹心奶油偏爱只粘在一块饼干的原因在于制造过程。

在饼干的制作过程中，他们也有新发现。奥利奥饼干的制作过程是，先将一块饼干放下，然后为该饼干“分配”奶油，再将第二块饼干置于奶油上面。“显然，一点时间延迟可能会使奶油更好地粘在第一块饼干上。”该论文第一作者、MIT机械工程博士生克里斯托·欧文斯（Crystal Owens）表示。

（来源：Physics of Fluids）
欧文斯的研究方向为 3D 打印以及可打印流体墨水的流体力学和流变学。将奥利奥和流变学产生“关联”的推测，是来自欧文斯在普林斯顿大学的相关工作，早在 2016 年就有物理学家提出，“实际上，当用手扭转奥利奥时，奶油几乎总是从一个饼干上脱落。”因此，她关注到与其与夹心饼干有“异曲同工之处”。

“从科学上讲，夹心饼干呈现了平行板流变测量的范式模型，其中流体样品（奶油）被夹在两个平行板（饼干）之间。当饼干反向旋转时，奶油会变形、流动并最终破裂，导致饼干分成两块。”欧文斯说。

当然，奥利奥奶油和流体的特性并不完全相同，但奥利奥奶油也有其特点，像“屈服应力流体”一样，作为柔软的固体它不受其他因素干扰。但是，在压力达到一定程度时，便会产生流动，这与日常生活中的牙膏、糖霜、膏状化妆品等类似。

“我的 3D 打印流体与奥利奥奶油属于同一类材料，”欧文斯说，“因此，当我尝试从碳纳米管浆液中打印柔性电子产品时，这种新的理解可以帮助我更好地设计墨水，因为它们以几乎完全相同的方式变形。”

（来源：Physics of Fluids）

为量化奶油的流动性，研究人员针对不同夹心、不同口味的奶油夹心饼干进行了实验。他们把奥利奥在 Oreometer 装置的顶板和底板位置进行固定，然后以变化的扭矩和角度进行测试，并通过观察每个饼干扭曲分离时的相关数值，再把测量结果代入方程式。此外，他们还详细地记录了每次实验中饼干被扭开时，奶油的最终状态及位置。

在该实验中，研究人员的实验样本为 20 盒左右的奥利奥饼干，其中无论夹心还是饼干都丰富多样，例如普通、双份和超级份的夹心，还有普通、黑巧克力和“黄金”威化饼干。但即便这些变量因素不同，结果却很一致，那就是最终当“扭一扭”打开奥利饼干时，奶油夹心绝大多数与其中一块饼干粘在一起。

那么，这个结论未来对哪些领域有启发呢？科学家研究奥利奥的“扭一扭”，通过对奶油特性等深入研究，未来对其他复杂流体材料从设计到制作或将提供新思路。

-End-

参考：
https://news.mit.edu/2022/oreometer-cream-0419
1.Crystal Owens et al. Physics of Fluids 34, 043107 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0085362


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