Мягкие материалы держатся за «воспоминания» о своем прошлом, дольше, чем предполагалось ранее | MIT News

Если ваш лосьон для рук немного забегает, чем обычно, выходя из бутылки, это может быть каким -то образом связано с «механической памятью» GOOP.

Мягкие гели и лосьоны изготавливаются путем смешивания ингредиентов, пока они не сформируют стабильное и равномерное вещество. Но даже после того, как гель установлен, он может удерживать «воспоминания» или остаточное напряжение от процесса смешивания. Со временем материал может поддаваться этим встроенным напряжениям и скользить обратно в свое прежнее состояние. Механическая память – это отчасти, почему лосьон для рук отделяется и со временем становится жидким.

Теперь инженер MIT разработал простой способ измерить степень остаточного напряжения в мягких материалах после того, как они были смешаны, и обнаружил, что общие продукты, такие как гель для волос и крем для бритья, имеют более длительные механические воспоминания, удерживая остаточные напряжения в течение более длительных периодов времени, чем могли бы предположить производители.

В исследовании появился сегодня в Письма о физическом обзореCrystal Owens, постдок в лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта MIT (CSAIL), представляет новый протокол для измерения остаточного напряжения в мягких гелеподобных материалах с использованием стандартного реометра на стенде.

Применяя этот протокол к повседневным мягким материалам, Оуэнс обнаружил, что если гель производится путем смешивания его в одном направлении, после того, как он заселяется в стабильное и равномерное состояние, он эффективно удерживает память о направлении, в котором он смешивается. Даже через несколько дней гель будет сдерживать некоторый внутренний стресс, который, если он будет выпущен, приведет к тому, что гель сместится в направлении, противоположном тому, как он был изначально смешан, возвращаясь к своему предыдущему состоянию.

«Это одна из причин, по которой разные партии косметики или пищи ведут себя по -разному, даже если они перенесли« идентичное »производство», – говорит Оуэнс. «Понимание и измерение этих скрытых напряжений во время обработки может помочь производителям разработать лучшие продукты, которые длится дольше и выполняют более предсказуемо».

Мягкое стекло

Лосьон для рук, гель для волос и крем для бритья подпадает под категорию «мягкие стеклянные материалы» – материалы, которые демонстрируют свойства как твердых тел, так и жидкостей.

«Все, что вы можете залить в руку, и это образует мягкий насыпь, будет считаться мягким стеклом», – объясняет Оуэнс. «В области материаловедения это считается мягкой версией чего -то, что имеет такую же аморфную структуру, что и стекло».

Другими словами, мягкий стеклянный материал – это странная амальгама твердого тела и жидкости. Его можно вылить как жидкость, и он может удерживать свою форму, как твердый. После того, как они сделаны, эти материалы существуют в тонком балансе между твердым и жидкостью. И Оуэнс подумал: как долго?

«Что происходит с этими материалами после долгого времени? Они, наконец, расслабляются или никогда не расслабляются?» Оуэнс говорит. «С точки зрения физики, это очень интересная концепция: каково существенное состояние этих материалов?»

Скрутить и держать

При изготовлении мягких стеклянных материалов, таких как гель для волос и шампунь, ингредиенты сначала смешаются с равномерным продуктом. Затем инженеры по контролю качества позволяют образу сидеть около минуты – период, который они предполагают, достаточно, чтобы позволить любые остаточные напряжения от процесса смешивания рассеиваться. За это время материал должен поселиться в устойчивое, стабильное состояние, готовое к использованию.

Но Оуэнс подозревал, что материалы могут иметь некоторую степень стресса от производственного процесса еще долго после того, как они, казалось, успокоились.

«Остаточный стресс – это низкий уровень стресса, который попадает в материал после того, как он попадет в устойчивое состояние», – говорит Оуэнс. «Этот вид напряжения не был измерен в таких материалах».

Чтобы проверить свою гипотезу, она провели эксперименты с двумя распространенными мягкими стеклянными материалами: гель для волос и крем для бритья. Она сделала измерения каждого материала в реометре – прибор, состоящий из двух вращающихся пластин, которые могут скручивать и прижимать материал вместе при точно контролируемых давлениях и силах, которые непосредственно относятся к внутренним напряжениям и штаммах материала.

В своих экспериментах она разместила каждый материал в реометр и развернула верхнюю пластину прибора, чтобы смешать материал. Затем она позволила материалу оседать, а затем успокоится еще – намного дольше, чем на одну минуту. В течение этого времени она наблюдала количество силы, потребовавшегося реометра, чтобы удерживать материал на месте. Она рассуждала, что чем больше сила реометра, тем больше она должна противодействовать любому напряжению в материале, который в противном случае заставит его сместиться из текущего состояния.

В течение нескольких экспериментов, используя этот новый протокол, Owens обнаружил, что различные типы мягких стеклянных материалов удерживали значительное количество остаточного стресса, спустя долгое время после того, как большинство исследователей предполагают, что стресс рассеялся. Более того, она обнаружила, что степень стресса, который сохранял материал, была отражением направления, в котором он был изначально смешан, и когда он был смешан.

«Материал может эффективно« помнить », в каком направлении он был смешанным и как давно», – говорит Оуэнс. «И оказывается, что они держат это воспоминание о своем прошлом, намного дольше, чем мы думали».

В дополнение к протоколу, который она разработала для измерения остаточного стресса, Owens разработала модель для оценки того, как материал будет изменяться с течением времени, учитывая степень остаточного стресса, которую он удерживает. Используя эту модель, она говорит, что ученые могут разработать материалы с «кратковременной памятью», или очень небольшим остаточным стрессом, так что они остаются стабильными в течение более длительных периодов.

Одним из материалов, где она видит место для такого улучшения, является асфальтом – вещество, которое сначала смешано, а затем выливается в расплавленную форму над поверхностью, где он затем охлаждает и оседает со временем. Она подозревает, что остаточные напряжения от смешивания асфальта могут способствовать, чтобы с течением времени образовались трещины в асфальте. Снижение этих напряжений в начале процесса может привести к более длительным, более устойчивым дорогам.

«Люди все время изобретают новые типы асфальта, чтобы быть более экологичными, и все это будет иметь разные уровни остаточного стресса, который потребует некоторого контроля»,-говорит она. «Есть много места для изучения».

Это исследование было частично поддержано постдокторской стипендией MIT по инженерному превосходству и стипендии MIT Mathworks.