麻省理工学院的研究人员设计了一种可 3D 打印的“Oreometer”，通过一系列测试将 Oreo 的奶油填充物放在一起，以了解当两个晶片被扭开时会发生什么。
机械工程师对奥利奥的奶油填充物进行了一系列测试，以了解当两个晶片扭开时会发生什么。
当您将奥利奥饼干扭开以到达奶油中心时，您正在模仿基本的流变测试。 （流变学是研究非牛顿材料在扭曲、挤压或以其他方式拉紧时如何流动。）麻省理工学院的工程师现在对著名的三明治饼干进行了严格的材料测试，以回答一个令人烦恼的问题：为什么饼干的奶油会粘住扭开时只有一个晶片？
麻省理工学院机械工程系的本科生 Max Fan 说：“试图让奶油在两个晶圆之间均匀分布是一个令人着迷的问题，但事实证明这非常困难。”
为什么曲奇的奶油在扭开时只粘在一个威化饼上？麻省理工学院的工程师正在寻找答案。
为了寻找答案，研究小组在实验室中将饼干暴露在正常的流变学实验中，发现无论口味或馅料的数量如何，奥利奥中心的奶油在拧开时几乎总是粘在一个威化饼上。只有在较旧的饼干盒中，奶油有时会在两个威化饼之间分配得更均匀。
科学家们还测量了扭开奥利奥所需的扭矩，发现它与转动门把手所需的扭矩相似，约为扭开瓶盖所需扭矩的 1/10。奶油的失效应力——即使奶油流动或变形所需的单位面积力——是奶油芝士和花生酱的两倍，与马苏里拉芝士的量级大致相同。从面霜对压力的反应来看，该团队将其质地归类为“糊状”，而不是易碎、坚韧或橡胶状。
当您将奥利奥饼干扭开以到达奶油中心时，您正在模仿流变学中的标准测试——研究非牛顿材料在扭曲、挤压或其他压力时如何流动。
那么，为什么曲奇的奶油会凝结在一侧而不是均匀地分布在两者之间呢？制造过程可能是罪魁祸首。
“制造过程的视频显示，他们将第一个晶圆放下，然后在该晶圆上分配一个奶油球，然后将第二个晶圆放在上面，”研究复杂流体特性的麻省理工学院机械工程博士候选人 Crystal Owens 说. “显然，一点时间延迟可能会使奶油更好地粘在第一片威化饼上。”
该团队的研究不仅仅是对面包和黄油研究的甜蜜转移；这也是一个让其他人接触到流变科学的机会。为此，研究人员设计了一种可 3D 打印的“Oreometer”——一种简单的装置，可以牢牢抓住奥利奥饼干，并使用便士和橡皮筋来控制逐渐将饼干扭开的扭力。桌面设备的说明可以在这里找到。
今天的Kitchen Flows发表了题为“关于矿石学，‘牛奶最喜欢的饼干’的断裂和流动”的新研究 , Physics of Fluids 杂志的特刊 .它是在 Covid-19 大流行初期构想的，当时许多科学家的实验室已关闭或难以进入。除了 Owens 和 Fan，共同作者还有机械工程教授 Gareth McKinley 和 A. John Hart。
甜点连接
流变学的标准测试将流体、浆料或其他可流动材料放置在称为流变仪的仪器的底座上。可以将底座上方的平行板降低到测试材料上。然后随着传感器跟踪施加的旋转和扭矩，板会发生扭曲。
Owens 经常使用实验室流变仪来测试 3D 打印墨水等流体材料，他不禁注意到与三明治饼干的相似之处。正如她在新研究中所写：
“从科学上讲，三明治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（晶片）之间。当威化饼反向旋转时，奶油会变形、流动并最终破裂，导致饼干分成两块。”
虽然奥利奥奶油似乎不具备类似流体的特性，但它被认为是一种“屈服应力流体”——一种不受干扰的柔软固体，在足够的压力下会开始流动，就像牙膏、糖霜、某些化妆品和混凝土一样。
好奇其他人是否探索过奥利奥与流变学之间的联系，欧文斯发现提到了 2016 年普林斯顿大学的一项研究，物理学家首先报告说，实际上，当用手扭转奥利奥时，奶油几乎总是在一个晶片上脱落。
“我们希望以此为基础，看看究竟是什么导致了这种效应，以及如果我们将奥利奥小心地安装到流变仪上，我们是否可以控制它，”她说。
曲奇曲折
在一项他们将针对不同馅料和口味的多个饼干重复的实验中，研究人员将奥利奥粘在流变仪的顶板和底板上，并施加不同程度的扭矩和角度旋转，注意到成功将每个饼干扭曲分开的值.他们将测量值代入方程式，以计算奶油的粘弹性或流动性。对于每个实验，他们还记录了奶油的“验尸分布”，即奶油在拧开后最终的位置。
团队总共检查了大约 20 盒奥利奥，包括普通、双份和超级份的填充物，以及普通、黑巧克力和“黄金”威化口味。令人惊讶的是，他们发现无论奶油馅料或风味的数量如何，奶油几乎总是会分离到一个威化饼上。
“我们预计会产生基于尺寸的效果，”欧文斯说。 “如果层之间有更多的奶油，它应该更容易变形。但事实并非如此。”
奇怪的是，当他们将每个饼干的结果映射到盒子中的原始位置时，他们注意到奶油倾向于粘在面向内的威化饼上：盒子左侧的饼干扭曲，奶油最终粘在右侧的威化饼上，而右侧的饼干大部分在左侧的威化饼上与奶油分开。他们怀疑这种盒子分布可能是制造后环境影响的结果，例如加热或推挤可能导致奶油从外部晶片上稍微剥落，即使在扭曲之前也是如此。
从奥利奥奶油的特性中获得的理解可能会应用于其他复杂流体材料的设计。
“我的 3D 打印流体与奥利奥奶油属于同一类材料，”她说。 “所以，当我尝试用碳纳米管浆液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，因为它们的变形方式几乎完全相同。”
至于饼干本身，她建议如果奥利奥威化的内部更有质感，奶油可能会更好地夹在两面，扭曲时会更均匀地分开。
“就像现在一样，我们发现没有任何技巧可以让奶油均匀地扭曲，”欧文斯总结道。
参考文献：Crystal E. Owens、Max R. Fan、A. John Hart 和 Gareth H. McKinley 撰写的“关于矿石学，“牛奶最喜欢的 cookie®”的断裂和流动，2022 年 4 月 19 日，流体物理学 .
DOI：10.1063/5.0085362
这项研究得到了麻省理工学院 UROP 计划和国防科学与工程研究生奖学金计划的部分支持。
