Если лосьон для рук, вылитый на ладонь, кажется немного жиже обычного — это может объясняться его «памятью формы».
Мягкие гели и лосьоны производятся путем смешивания ингредиентов до образования стабильной и однородной субстанции. Но даже после того, как гель застыл, он сохраняет остаточные напряжения от процесса смешивания — своего рода «память». Со временем материал может поддаться этим напряжениям и вернуться в свое первоначальное состояние, в котором он был до смешивания. Механическая память отчасти объясняет, почему лосьон для рук со временем расслаивается и становится жидким.
В Массачусетском технологическом институте (MIT) разработали простой способ измерения степени остаточного напряжения в мягких материалах после их смешивания и обнаружили, что у распространенных продуктов, таких как гель для волос и крем для бритья, механическая память сохраняется дольше. С результатами экспериментов можно ознакомиться в журнале Physical Review Letters.
Новый протокол для измерения остаточного напряжения в мягких гелеобразных материалах с использованием стандартного лабораторного реометра представила постдок Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта MIT Кристал Оуэнс. Применяя его к повседневным мягким материалам, она обнаружила, что если гель изготовлен путем смешивания в одном направлении, то после того, как он осядет в стабильное и однородное состояние, он эффективно сохраняет память о направлении смешивания. Даже спустя несколько дней гель будет удерживать некоторое внутреннее напряжение, которое, если его высвободить, заставит гель смещаться в направлении, противоположном первоначальному смешиванию, возвращаясь к своему предыдущему состоянию.
«Это одна из причин, по которой разные партии косметики или продуктов питания ведут себя по-разному, хотя выпущены по стандартизированным технологическим процессам. Понимание и измерение этих скрытых напряжений во время обработки может помочь производителям разрабатывать лучшие продукты, которые служат дольше и работают более предсказуемо», — говорит Оуэнс.
Мягкое стекло
Лосьон для рук, гель для волос и крем для бритья попадают в категорию «мягких стеклообразных материалов» — материалов, которые проявляют свойства как твердых тел, так и жидкостей.
«Все, что можно вылить в руку, и оно образует мягкую горку, будет считаться мягким стеклом, — объясняет Оуэнс. — С точки зрения материаловедения это мягкая версия чего-то, имеющего ту же аморфную структуру, что и стекло».
Другими словами, мягкое стекло — это странное сочетание твердого и жидкого. Его можно выливать, как жидкость, и оно сохраняет форму, как твердое тело. После образования эти материалы существуют в тонком балансе между твердым и жидким состоянием. Оуэнс задалась вопросом: как долго?
«Что происходит с этими материалами спустя очень долгое время? Приходят ли они в состояние покоя хотя бы когда-нибудь? С точки зрения физики, это очень интересная концепция: каково истинное, фундаментальное состояние этих материалов?» — рассуждает исследовательница.
Смешать и подождать
При производстве мягких стеклообразных материалов, таких как гель для волос и шампунь, ингредиенты сначала смешиваются в однородный продукт. Затем инженеры по контролю качества дают образцу постоять около минуты — периода, по их мнению, достаточного для того, чтобы ушли любые остаточные напряжения от процесса смешивания. За это время материал должен осесть в устойчивое, стабильное состояние, готовое к использованию.
Оуэнс предположила, что материалы могут сохранять определенную степень напряжения от производственного процесса гораздо более продолжительное время.
«Остаточное напряжение — это низкий уровень напряжения, сохраняющийся внутри материала по достижении устойчивого состояния. Никто его еще не измерял», — подчеркивает ученая.
Чтобы проверить свою гипотезу, она провела эксперименты с двумя распространенными мягкими стеклообразными материалами: гелем для волос и кремом для бритья. Она проводила измерения каждого материала на реометре — приборе, состоящем из двух вращающихся пластин, которые могут скручивать и сжимать материал с точно контролируемым давлением и силами, напрямую связанными с внутренними напряжениями и деформациями материала.
В своих экспериментах Оуэнс помещала образец в реометр и вращала верхнюю пластину прибора, чтобы перемешать материал. Затем она давала отстояться — причем намного дольше одной минуты. В течение этого времени она наблюдала за величиной усилия, которое требовалось реометру, чтобы удерживать материал на месте. Она рассудила, что чем больше показания прибора, тем сильнее ему приходится противодействовать любому напряжению внутри материала, норовящему выйти из текущего состояния.
Выяснилось, что почти все мягкие стеклообразные материалы «помнят» — и довольно долго — как их размешивали.
«Материал может эффективно "помнить", в каком направлении его смешивали и как давно. И оказывается, они хранят эту память о своем прошлом гораздо дольше, чем мы думали», — отмечает физик.
В дополнение к протоколу измерения остаточного напряжения, Оуэнс разработала методику прогнозирования дальнейшего поведения материала с учетом его остаточного напряжения. По ее словам, используя эту модель, ученые могли бы создавать материалы с «кратковременной памятью» или с очень малым остаточным напряжением, чтобы они дольше оставались стабильными.
Одним из приложений таких улучшений может быть дорожное строительство. Исследовательница подозревает, что именно из-за остаточных напряжений после смешивания асфальта он трескается, застывая.
«Люди постоянно изобретают новые виды асфальта, чтобы сделать его более экологичным, и все они будут иметь разные уровни остаточного напряжения, которые потребуют определенного контроля. Здесь есть много возможностей для исследований», — заключила Оуэнс.
Физики обнаружили жидкость-хамелеон, нарушающую законы термодинамики: видео
Прощайте, выбоины: изобретено самовосстанавливающееся дорожное покрытие
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram