Czy kiedykolwiek otworzyłeś butelkę balsamu do ciała tylko po to, by odkryć wodnistą ciecz zamiast gęstego kremu, albo zauważyłeś, że żel do włosów po pewnym czasie zachowuje się inaczej niż wtedy, gdy był nowy? Przyczyna tych frustrujących zjawisk często leży w ukrytym fenomenie znanym jako pamięć mechaniczna materiałów. Mianowicie, miękkie materiały, takie jak żele, kremy, a nawet niektóre materiały budowlane, posiadają zaskakującą zdolność "pamiętania" procesów, przez które przeszły podczas produkcji. Ta "pamięć", która objawia się jako szczątkowe naprężenie wewnętrzne, może utrzymywać się znacznie dłużej, niż dotychczas sądzono, co ma znaczące konsekwencje dla stabilności, trwałości i przewidywalności niezliczonych produktów, których używamy na co dzień.

Rewolucyjne badania przeprowadzone na Massachusetts Institute of Technology (MIT) rzucają zupełnie nowe światło na ten problem. Inżynier Crystal Owens opracowała innowacyjną, a zarazem zaskakująco prostą metodę pomiaru stopnia naprężenia szczątkowego w miękkich materiałach. Jej odkrycia, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym Physical Review Letters, pokazują, że powszechne produkty, takie jak żel do włosów czy pianka do golenia, zachowują swoją pamięć mechaniczną i wewnętrzne naprężenia przez tygodnie, a nawet miesiące, co stoi w całkowitej sprzeczności z dotychczasowymi założeniami w przemyśle, które mierzyły ten okres w minutach.

Ukryte życie miękkich materiałów szklistych

Balsamy do rąk, żele do włosów, pianki do golenia, ale także majonez, farby i wiele produktów farmaceutycznych należą do fascynującej kategorii materiałów znanych jako miękkie materiały szkliste. Materiały te są unikalnymi hybrydami, które jednocześnie wykazują właściwości zarówno ciał stałych, jak i cieczy. Jak wyjaśnia Owens, "wszystko, co można wycisnąć na dłoń i co tworzy miękki pagórek, można uznać za miękkie szkło". W nauce o materiałach uważa się je za miększą wersję czegoś, co ma amorficzną, nieustrukturyzowaną budowę molekularną, podobną do szkła okiennego. Mogą płynąć jak ciecz, ale jednocześnie zachowywać swój kształt jak ciało stałe.

Właśnie ta dwoista natura czyni je niezwykle użytecznymi, ale także trudnymi do zrozumienia. Po wyprodukowaniu materiały te istnieją w delikatnej równowadze. Proces produkcyjny, który prawie zawsze obejmuje jakiś rodzaj intensywnego mieszania, ugniatania lub ścinania, wprowadza energię do materiału. Chociaż wydaje się, że materiał po wymieszaniu "uspokaja się" i staje się stabilny, w jego strukturze pozostają uwięzione wewnętrzne naprężenia. Te naprężenia szczątkowe stanowią swego rodzaju odcisk lub "pamięć" sił, którym był poddany. Z czasem materiał może ulec tym ukrytym siłom i próbować powrócić do swojego poprzedniego, bardziej niestabilnego stanu, co skutkuje rozdzieleniem faz, zmianą lepkości lub całkowitą utratą funkcjonalności.

Rewolucyjna metoda pomiaru "pamięci"

Standardową praktyką w branżach takich jak kosmetyczna czy spożywcza jest pozostawienie próbki produktu po wymieszaniu na około jedną minutę. Producenci do tej pory zakładali, że ten czas jest wystarczający, aby wszystkie naprężenia szczątkowe z procesu produkcyjnego rozproszyły się i aby materiał osiągnął stabilny, ostateczny stan. Jednak badania Crystal Owens dowodzą, że to założenie było błędne.

Używając standardowego instrumentu laboratoryjnego znanego jako reometr, Owens opracowała nowy protokół do precyzyjnego pomiaru tych długotrwałych naprężeń. Reometr składa się z dwóch płytek, między którymi umieszcza się próbkę materiału. Obracając i dociskając płytki w ściśle kontrolowany sposób, instrument może mierzyć wewnętrzny opór materiału, czyli jego naprężenia i odkształcenia. W swoich eksperymentach Owens umieszczała próbki żelu do włosów i pianki do golenia w reometrze, mieszała je symulując proces przemysłowy, a następnie pozostawiała je do ustabilizowania na znacznie dłużej niż zwyczajowe 60 sekund. W tym długim okresie spoczynku nieustannie mierzyła maleńką siłę, jaką instrument musiał przyłożyć, aby utrzymać materiał w całkowitym bezruchu. Ta siła jest bezpośrednim wskaźnikiem wielkości wewnętrznego naprężenia, które próbuje "pchnąć" materiał i przywrócić go do poprzedniego stanu.

Wyniki były zdumiewające. Materiały nie tylko utrzymywały znaczny poziom naprężenia szczątkowego przez wiele dni po wymieszaniu, ale naprężenie to było również ukierunkowane. Innymi słowy, materiał "pamiętał" kierunek, w którym był mieszany. Gdyby to naprężenie zostało uwolnione, żel zacząłby się odkształcać w kierunku przeciwnym do pierwotnego mieszania. "Materiał może skutecznie pamiętać, w którym kierunku był mieszany i jak dawno temu", podkreśla Owens. "Okazało się, że zachowują tę pamięć o swojej przeszłości znacznie, znacznie dłużej, niż myśleliśmy".

Od stabilniejszych kremów do trwalszych dróg

To odkrycie ma ogromne implikacje. Jest to jeden z kluczowych powodów, dla których różne partie tego samego produktu, wyprodukowane w pozornie "identyczny" sposób, mogą zachowywać się zupełnie inaczej. Minimalne różnice w prędkości, czasie trwania lub kierunku mieszania mogą skutkować różnymi poziomami naprężenia szczątkowego, co prowadzi do niespójnej jakości i trwałości produktu na półce. Zrozumienie i pomiar tych ukrytych naprężeń podczas produkcji mogłoby umożliwić producentom optymalizację procesów i projektowanie produktów, które są znacznie bardziej stabilne i trwałe.

Oprócz protokołu pomiarowego, Owens opracowała również model matematyczny, który może przewidzieć, jak materiał będzie się zmieniał w czasie na podstawie zmierzonego poziomu naprężenia szczątkowego. Za pomocą tego modelu naukowcy mogliby celowo projektować materiały z "pamięcią krótkotrwałą" lub bardzo małym naprężeniem szczątkowym, zapewniając w ten sposób ich długoterminową stabilność. Otwiera to drzwi do innowacji w wielu sektorach.

Jednym z najbardziej obiecujących obszarów zastosowania jest przemysł budowlany, a konkretnie produkcja asfaltu. Asfalt to materiał, który najpierw jest mieszany na gorąco, następnie wylewany, a na końcu chłodzony i utwardzany na drodze. Owens podejrzewa, że naprężenia szczątkowe z procesu mieszania kruszyw i spoiw w znacznym stopniu przyczyniają się do powstawania pęknięć na nawierzchni z czasem. Gdy asfalt stygnie, a następnie podlega dziennym i sezonowym zmianom temperatury, te wewnętrzne naprężenia mogą prowadzić do pojawienia się mikropęknięć, które z czasem się rozszerzają i stają się poważnym problemem. Zmniejszając lub kontrolując te początkowe naprężenia na etapie produkcji, moglibyśmy uzyskać znacznie bardziej odporne i trwałe drogi.

"Ciągle wynajduje się nowe rodzaje asfaltu w celu większej przyjazności dla środowiska, a każda z tych nowych mieszanek będzie miała różne poziomy naprężenia szczątkowego, które trzeba będzie kontrolować", mówi Owens. Potencjalne zastosowania sięgają dalej, od optymalizacji past drukarskich do druku 3D i rozwoju stabilniejszych maści farmaceutycznych po poprawę tekstury i okresu przydatności do spożycia produktów spożywczych, takich jak jogurty czy kremy czekoladowe. Zrozumienie pamięci mechanicznej otwiera nowy poziom kontroli nad światem materiałów, które nas otaczają.