乳液放置后为什么会分层、变稀？MIT团队揭开“机械记忆”秘密

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（来源：DeepTech深科技）

日常生活中，我们常常会遇到这样的情况：刚买来的乳液质地细腻柔滑，但放置一段时间后，却容易出现分层、变稀的现象。很多人以为这只是保存不当或产品质量问题，其实背后隐藏着材料科学中的一个关键概念——“机械记忆”（mechanical memory）。

乳液通常是由多种成分混合制成的稳定而均匀的物质。但即使在成型后，它们仍会保留混合过程中的“记忆”或残余应力。随着时间推移，这些材料可能会逐渐屈服于这些隐藏的应力，部分回到混合前的状态。这种机械记忆正是乳液出现分层、变稀的重要原因之一。

如今，麻省理工学院（MIT）的一名工程师提出了一种简单方法，可以测量软性材料在混合后所保留的残余应力。研究发现，像发胶和剃须泡沫这样的常见产品，其机械记忆远比制造商原本以为的要长。相关研究已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

护手霜、发胶和剃须泡沫，都属于“软玻璃态材料”（soft glassy materials）——兼具固体和液体特性的物质。从材料科学的角度看，软玻璃具有和真正玻璃类似的无序结构。玻璃是一种没有晶体结构的固体，而软玻璃则是它的“柔性版本”。换句话说，软玻璃既能像液体一样倒出，又能像固体一样保持形状，它们存在于固液之间的微妙平衡。

在上述产品的生产中，原料首先被混合成均匀状态。质量控制工程师通常会让样品静置一分钟，以确保混合过程中产生的应力已经释放。人们普遍认为，这样处理后，产品就已经进入稳定状态，可以放心装瓶销售。

但 MIT 计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）的博士后 Crystal Owens 怀疑，这些材料的应力可能远比一分钟更“顽固”。她认为，即便产品表面看起来均匀稳定，内部可能依旧存在着“低水平”的隐藏应力，也就是残余应力。这种应力不会立刻显现，却会在时间推移中逐渐释放，改变材料的流变特性，导致我们看到的分层、变稀现象。

她想知道：这种平衡能维持多久？

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为此，她在实验中使用了流变仪——一种由两块可旋转平板组成的精密仪器，能够通过施加扭转和压力来检测材料的应力和应变。

她将发胶和剃须泡沫放入流变仪中，用上板搅动混合，再让其静置。不同于传统的一分钟，她让样品静置更长时间，并记录仪器为保持样品稳定所需的力。力越大，说明材料内部的残余应力越强。

多次实验结果表明，这类软玻璃材料在长时间后仍保持显著残余应力。更重要的是，这种应力还会“记录”材料最初的混合方向和混合时长。如果将凝胶朝一个方向混合，在表面看似稳定之后，它仍然会“记住”最初的混合方向。即使过了几天，这种内在的应力依然存在，一旦释放，就会驱使材料朝与初始混合相反的方向移动，回到某种早期状态。

“这也是为什么即使在‘相同工艺’下生产的化妆品或食品，不同批次之间仍然会表现出差异。理解并测量这些隐藏的应力，可以帮助制造商设计出更耐用、更稳定的产品。”Owens 解释道。

在新实验方法的基础上，Owens 还提出了一个模型，可以根据残余应力预测材料随时间的变化趋势。她认为，这将帮助科学家设计具有“短期记忆”的材料，即残余应力较小，从而在更长时间内保持稳定。

例如，沥青就是一个潜在的改进对象。在铺路时，沥青需要被混合、加热、再摊铺。随着时间推移，路面往往会出现裂缝。她怀疑，这与沥青在生产和铺设过程中产生的残余应力有关。如果在初期就能减少这种应力，或许能显著延长道路的使用寿命。

“如今，人们不断研发更环保的新型沥青，但不同配方必然会带来不同程度的残余应力。如果不能控制，就可能缩短道路寿命。因此，这一研究方向还有很大的探索空间。”Owens 补充道。

本研究得到 MIT 工程卓越博士后奖学金和 MIT Mathworks 奖学金的支持。

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