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日常生活中,我們常常會遇到這樣的情況:剛買來的乳液質地細膩柔滑,但放置一段時間后,卻容易出現分層、變稀的現象。很多人以為這只是保存不當或產品質量問題,其實背后隱藏著材料科學中的一個關鍵概念——“機械記憶”(mechanical memory)。
乳液通常是由多種成分混合制成的穩定而均勻的物質。但即使在成型后,它們仍會保留混合過程中的“記憶”或殘余應力。隨著時間推移,這些材料可能會逐漸屈服于這些隱藏的應力,部分回到混合前的狀態。這種機械記憶正是乳液出現分層、變稀的重要原因之一。
如今,麻省理工學院(MIT)的一名工程師提出了一種簡單方法,可以測量軟性材料在混合后所保留的殘余應力。研究發現,像發膠和剃須泡沫這樣的常見產品,其機械記憶遠比制造商原本以為的要長。相關研究已發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
護手霜、發膠和剃須泡沫,都屬于“軟玻璃態材料”(soft glassy materials)——兼具固體和液體特性的物質。從材料科學的角度看,軟玻璃具有和真正玻璃類似的無序結構。玻璃是一種沒有晶體結構的固體,而軟玻璃則是它的“柔性版本”。換句話說,軟玻璃既能像液體一樣倒出,又能像固體一樣保持形狀,它們存在于固液之間的微妙平衡。
在上述產品的生產中,原料首先被混合成均勻狀態。質量控制工程師通常會讓樣品靜置一分鐘,以確保混合過程中產生的應力已經釋放。人們普遍認為,這樣處理后,產品就已經進入穩定狀態,可以放心裝瓶銷售。
但 MIT 計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)的博士后 Crystal Owens 懷疑,這些材料的應力可能遠比一分鐘更“頑固”。她認為,即便產品表面看起來均勻穩定,內部可能依舊存在著“低水平”的隱藏應力,也就是殘余應力。這種應力不會立刻顯現,卻會在時間推移中逐漸釋放,改變材料的流變特性,導致我們看到的分層、變稀現象。
她想知道:這種平衡能維持多久?
為此,她在實驗中使用了流變儀——一種由兩塊可旋轉平板組成的精密儀器,能夠通過施加扭轉和壓力來檢測材料的應力和應變。
她將發膠和剃須泡沫放入流變儀中,用上板攪動混合,再讓其靜置。不同于傳統的一分鐘,她讓樣品靜置更長時間,并記錄儀器為保持樣品穩定所需的力。力越大,說明材料內部的殘余應力越強。
多次實驗結果表明,這類軟玻璃材料在長時間后仍保持顯著殘余應力。更重要的是,這種應力還會“記錄”材料最初的混合方向和混合時長。如果將凝膠朝一個方向混合,在表面看似穩定之后,它仍然會“記住”最初的混合方向。即使過了幾天,這種內在的應力依然存在,一旦釋放,就會驅使材料朝與初始混合相反的方向移動,回到某種早期狀態。
“這也是為什么即使在‘相同工藝’下生產的化妝品或食品,不同批次之間仍然會表現出差異。理解并測量這些隱藏的應力,可以幫助制造商設計出更耐用、更穩定的產品。”Owens 解釋道。
在新實驗方法的基礎上,Owens 還提出了一個模型,可以根據殘余應力預測材料隨時間的變化趨勢。她認為,這將幫助科學家設計具有“短期記憶”的材料,即殘余應力較小,從而在更長時間內保持穩定。
例如,瀝青就是一個潛在的改進對象。在鋪路時,瀝青需要被混合、加熱、再攤鋪。隨著時間推移,路面往往會出現裂縫。她懷疑,這與瀝青在生產和鋪設過程中產生的殘余應力有關。如果在初期就能減少這種應力,或許能顯著延長道路的使用壽命。
“如今,人們不斷研發更環保的新型瀝青,但不同配方必然會帶來不同程度的殘余應力。如果不能控制,就可能縮短道路壽命。因此,這一研究方向還有很大的探索空間。”Owens 補充道。
本研究得到 MIT 工程卓越博士后獎學金和 MIT Mathworks 獎學金的支持。
1.https://news.mit.edu/2025/soft-materials-hold-past-memories-longer-previously-thought-0903
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