Om din handkräm är lite mer flytande än vanligt när den kommer ut ur flaskan kan det ha något att göra med krämens ”mekaniska minne”.
Mjuka geler och lotioner tillverkas genom att ingredienserna blandas tills de bildar en stabil och enhetlig substans. Men även efter att en gel har stelnat kan den behålla ”minnen”, eller restspänningar, från blandningsprocessen. Med tiden kan materialet ge efter för dessa inbäddade spänningar och glida tillbaka till sitt tidigare, förblandade tillstånd. Det mekaniska minnet är delvis anledningen till att handkräm separerar och blir rinnig med tiden.
Nu har en ingenjör vid MIT utvecklat en enkel metod för att mäta graden av restspänning i mjuka material efter att de har blandats, och upptäckt att vanliga produkter som hårgel och rakkräm har längre mekaniska minnen och behåller restspänningar under längre tid än vad tillverkarna kanske har antagit.
I en studie som publicerats i Physical Review Letters presenterar Crystal Owens, postdoktorand vid MIT:s laboratorium för datavetenskap och artificiell intelligens (CSAIL), ett nytt protokoll för att mäta restspänning i mjuka, geléliknande material med hjälp av en standardmässig bänkreometer.
Genom att tillämpa detta protokoll på vanliga mjuka material fann Owens att om en gel tillverkas genom att blanda den i en riktning, behåller den effektivt minnet av den riktning i vilken den blandats när den väl har stabiliserats och blivit enhetlig. Även efter flera dagar kommer gelén att behålla en viss inre spänning som, om den släpps, kommer att få gelén att förskjutas i motsatt riktning mot hur den ursprungligen blandades, och återgå till sitt tidigare tillstånd.
”Detta är en av anledningarna till att olika partier av kosmetika eller livsmedel beter sig olika även om de har genomgått en ’identisk’ tillverkning”, säger Owens. ”Att förstå och mäta dessa dolda spänningar under bearbetningen kan hjälpa tillverkare att utforma bättre produkter som håller längre och fungerar mer förutsägbart.”
Ett mjukt glas
Handkräm, hårgel och rakkräm faller alla under kategorin ”mjuka glasartade material” – material som uppvisar egenskaper hos både fasta ämnen och vätskor.
”Allt som du kan hälla i handen och som bildar en mjuk hög betraktas som mjukt glas”, förklarar Owens. ”Inom materialvetenskap betraktas det som en mjuk version av något som har samma amorfa struktur som glas.”
Med andra ord är ett mjukt glasartat material en märklig blandning av ett fast ämne och en vätska. Det kan hällas ut som en vätska och behålla sin form som ett fast ämne. När dessa material väl har tillverkats befinner de sig i en känslig balans mellan fast och flytande. Och Owens undrade: Hur länge?
”Vad händer med dessa material efter mycket lång tid? Slappnar de av till slut eller slappnar de aldrig av?” säger Owens. ”Ur ett fysikaliskt perspektiv är det ett mycket intressant koncept: Vad är det väsentliga tillståndet för dessa material?”
Vrid och håll
Vid tillverkningen av mjuka glasartade material som hårgel och schampo blandas ingredienserna först till en enhetlig produkt. Kvalitetskontrollingenjörerna låter sedan ett prov vila i ungefär en minut – en tid som de antar är tillräcklig för att eventuella restspänningar från blandningsprocessen ska försvinna. Under den tiden ska materialet stabiliseras och bli klart för användning.
Men Owens misstänkte att materialen kan ha kvar en viss spänning från tillverkningsprocessen långt efter att de verkar ha stabiliserats.
”Restspänning är en låg spänningsnivå som fastnar inuti ett material efter att det har nått ett stabilt tillstånd”, säger Owens. ”Denna typ av spänning har inte mätts i denna typ av material.”
För att testa sin hypotes genomförde hon experiment med två vanliga mjuka glasartade material: hårgel och rakkräm. Hon gjorde mätningar av varje material i en reometer – ett instrument som består av två roterande plattor som kan vrida och pressa ihop ett material med exakt kontrollerade tryck och krafter som är direkt relaterade till materialets inre spänningar och töjningar.
I sina experiment placerade hon varje material i reometern och snurrade instrumentets övre platta för att blanda materialet. Sedan lät hon materialet sedimentera, och sedan sedimentera ytterligare – mycket längre än en minut.
Under denna tid observerade hon hur stor kraft reometern behövde för att hålla materialet på plats. Hon resonerade att ju större reometerns kraft var, desto mer måste den motverka eventuella spänningar i materialet som annars skulle få det att förskjutas från sitt nuvarande tillstånd.
Genom flera experiment med detta nya protokoll fann Owens att olika typer av mjuka glasartade material hade en betydande mängd restspänning, långt efter att de flesta forskare skulle anta att spänningen hade försvunnit. Dessutom fann hon att graden av spänning som ett material behöll var en återspegling av i vilken riktning det ursprungligen blandades och när det blandades.
”Materialet kan effektivt ’komma ihåg’ i vilken riktning det blandades och hur länge sedan det var”, säger Owens. ”Och det visar sig att de behåller detta minne av sitt förflutna mycket längre än vi tidigare trott.”
Utöver det protokoll hon har utvecklat för att mäta restspänning har Owens utvecklat en modell för att uppskatta hur ett material kommer att förändras över tid, givet den grad av restspänning det har. Med hjälp av denna modell, säger hon, kan forskare designa material med ”korttidsminne” eller mycket liten restspänning, så att de förblir stabila under längre perioder.
Ett material där hon ser utrymme för sådana förbättringar är asfalt – ett ämne som först blandas och sedan hälls i smält form över en yta där det sedan kyls och stelnar med tiden. Hon misstänker att restspänningar från blandningen av asfalt kan bidra till att sprickor bildas i beläggningen med tiden. Att minska dessa spänningar i början av processen kan leda till mer hållbara och tåliga vägar.
”Människor uppfinner hela tiden nya typer av asfalt för att bli mer miljövänliga, och alla dessa kommer att ha olika nivåer av restspänning som behöver kontrolleras”, säger hon. ”Det finns mycket att utforska.”
Mer information: Crystal E. Owens, Anomalous Shear Stress Growth during Relaxation of a Soft Glass, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/421k-58rm. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.06393
Denna artikel återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som rapporterar om nyheter om forskning, innovation och undervisning vid MIT.
