Jeste li ikada otvorili bočicu losiona za tijelo samo da biste otkrili vodenastu tekućinu umjesto guste kreme, ili primijetili da se gel za kosu nakon nekog vremena ponaša drugačije nego kad je bio nov? Uzrok ovim frustrirajućim pojavama često leži u skrivenom fenomenu poznatom kao mehanička memorija materijala. Naime, mekani materijali, poput gelova, krema pa čak i nekih građevinskih materijala, posjeduju iznenađujuću sposobnost "pamćenja" procesa kroz koji su prošli tijekom proizvodnje. Ovo "sjećanje", koje se manifestira kao zaostalo unutarnje naprezanje, može opstati daleko duže nego što se dosad vjerovalo, što ima značajne posljedice na stabilnost, trajnost i predvidljivost bezbrojnih proizvoda koje svakodnevno koristimo.

Revolucionarno istraživanje provedeno na Massachusetts Institute of Technology (MIT) baca potpuno novo svjetlo na ovu problematiku. Inženjerka Crystal Owens razvila je inovativnu, ali iznenađujuće jednostavnu metodu za mjerenje stupnja zaostalog naprezanja u mekim materijalima. Njezini nalazi, objavljeni u prestižnom znanstvenom časopisu Physical Review Letters, pokazuju da uobičajeni proizvodi poput gela za kosu ili pjene za brijanje zadržavaju svoju mehaničku memoriju i unutarnja naprezanja tjednima, pa čak i mjesecima, što je u potpunoj suprotnosti s dosadašnjim pretpostavkama u industriji koje su taj period mjerile u minutama.

Skriveni život mekanih staklastih materijala

Losioni za ruke, gelovi za kosu, pjene za brijanje, ali i majoneza, boje i mnogi farmaceutski proizvodi spadaju u fascinantnu kategoriju materijala poznatih kao mekani staklasti materijali. Ovi materijali su jedinstveni hibridi koji istovremeno pokazuju svojstva i krutih tijela i tekućina. Kako objašnjava Owens, "sve što možete istisnuti na dlan i što formira mekani brežuljak može se smatrati mekim staklom". U znanosti o materijalima, oni se smatraju mekšom verzijom nečega što ima amorfnu, nestrukturiranu molekularnu građu, sličnu prozorskom staklu. Mogu teći poput tekućine, ali istovremeno i zadržati svoj oblik poput krutine.

Upravo ta dvojna priroda čini ih iznimno korisnima, ali i teškima za razumijevanje. Nakon proizvodnje, ovi materijali postoje u osjetljivoj ravnoteži. Proces proizvodnje, koji gotovo uvijek uključuje neku vrstu intenzivnog miješanja, gnječenja ili smicanja, unosi energiju u materijal. Iako se čini da se materijal nakon miješanja "smiri" i postane stabilan, unutar njegove strukture ostaju zarobljena unutarnja naprezanja. Ta zaostala naprezanja predstavljaju svojevrsni otisak ili "sjećanje" na sile kojima je bio izložen. Vremenom, materijal može popustiti pod tim skrivenim silama i pokušati se vratiti u svoje prethodno, nestabilnije stanje, što rezultira razdvajanjem faza, promjenom viskoznosti ili potpunim gubitkom funkcionalnosti.

Revolucionarna metoda mjerenja "memorije"

Standardna praksa u industrijama poput kozmetičke ili prehrambene jest da se nakon miješanja uzorak proizvoda ostavi da miruje otprilike jednu minutu. Proizvođači su do sada pretpostavljali da je to vrijeme dovoljno da se sva zaostala naprezanja iz procesa proizvodnje rasprše i da materijal postigne stabilno, konačno stanje. Međutim, istraživanje Crystal Owens dokazuje da je ova pretpostavka bila pogrešna.

Koristeći standardni laboratorijski instrument poznat kao reometar, Owens je osmislila novi protokol za precizno mjerenje ovih dugotrajnih naprezanja. Reometar se sastoji od dvije ploče između kojih se postavlja uzorak materijala. Rotiranjem i pritiskanjem ploča na strogo kontroliran način, instrument može izmjeriti unutarnji otpor materijala, odnosno njegova naprezanja i deformacije. U svojim eksperimentima, Owens je stavljala uzorke gela za kosu i pjene za brijanje u reometar, miješala ih simulirajući industrijski proces, a zatim ih ostavljala da se umire znatno duže od uobičajenih 60 sekundi. Tijekom tog dugog perioda mirovanja, kontinuirano je mjerila sićušnu silu koju je instrument morao primijeniti kako bi zadržao materijal potpuno nepomičnim. Ta sila je izravan pokazatelj veličine unutarnjeg naprezanja koje pokušava "pogurati" materijal i vratiti ga u prijašnje stanje.

Rezultati su bili zapanjujući. Ne samo da su materijali zadržavali značajnu razinu zaostalog naprezanja danima nakon miješanja, već je to naprezanje bilo i usmjereno. Drugim riječima, materijal je "pamtio" smjer u kojem je bio miješan. Ako bi se to naprezanje oslobodilo, gel bi se počeo deformirati u smjeru suprotnom od prvotnog miješanja. "Materijal efektivno može pamtiti u kojem smjeru je miješan i prije koliko vremena", ističe Owens. "Ispostavilo se da oni tu memoriju svoje prošlosti zadržavaju mnogo, mnogo duže nego što smo mislili."

Od stabilnijih krema do dugotrajnijih cesta

Ovo otkriće ima goleme implikacije. To je jedan od ključnih razloga zašto se različite serije istog proizvoda, proizvedene naizgled "identičnim" postupkom, mogu ponašati potpuno drugačije. Minimalne varijacije u brzini, trajanju ili smjeru miješanja mogu rezultirati različitim razinama zaostalog naprezanja, što dovodi do nekonzistentne kvalitete i trajnosti proizvoda na polici. Razumijevanje i mjerenje ovih skrivenih naprezanja tijekom proizvodnje moglo bi omogućiti proizvođačima da optimiziraju svoje procese i dizajniraju proizvode koji su znatno stabilniji i dugotrajniji.

Osim protokola za mjerenje, Owens je razvila i matematički model koji može predvidjeti kako će se materijal mijenjati tijekom vremena na temelju izmjerene razine zaostalog naprezanja. Pomoću ovog modela, znanstvenici bi mogli ciljano dizajnirati materijale s "kratkoročnom memorijom" ili vrlo malim zaostalim naprezanjem, osiguravajući tako njihovu dugoročnu stabilnost. Ovo otvara vrata inovacijama u brojnim sektorima.

Jedno od najperspektivnijih područja primjene je građevinska industrija, konkretno proizvodnja asfalta. Asfalt je materijal koji se prvo vruće miješa, zatim izlijeva i na kraju hladi i stvrdnjava na cesti. Owens sumnja da zaostala naprezanja iz procesa miješanja agregata i veziva značajno doprinose stvaranju pukotina na kolniku tijekom vremena. Kako se asfalt hladi i kasnije podliježe dnevnim i sezonskim promjenama temperature, ta unutarnja naprezanja mogu dovesti do pojave mikrofraktura koje se s vremenom šire i postaju ozbiljan problem. Smanjenjem ili kontroliranjem tih početnih naprezanja u fazi proizvodnje mogli bismo dobiti znatno otpornije i dugotrajnije ceste.

"Stalno se izumiru nove vrste asfalta s ciljem veće ekološke prihvatljivosti, a svaka od tih novih smjesa imat će različite razine zaostalog naprezanja koje će trebati kontrolirati", kaže Owens. Potencijalne primjene sežu i dalje, od optimizacije tiskarskih pasta za 3D ispis i razvoja stabilnijih farmaceutskih masti do poboljšanja teksture i roka trajanja prehrambenih proizvoda poput jogurta ili čokoladnih namaza. Razumijevanje mehaničke memorije otključava novu razinu kontrole nad svijetom materijala koji nas okružuju.