MIT の研究者は 3D プリント可能な「オレオメーター」を設計し、オレオのクリーム フィリングを一連のテストにかけ、2 枚のウエハースがねじれて離れたときに何が起こるかを理解しました。
機械エンジニアは、オレオのクリーム フィリングに一連のテストを実施し、2 枚のウエハースをねじって引き離すとどうなるかを理解しました。
オレオ クッキーをねじって開いてクリーミーな中心部に到達すると、基本的なレオロジー テストを模倣しています。 （レオロジーとは、非ニュートン材料がねじれたり、押されたり、その他の方法で引っ張られたりしたときにどのように流れるかを研究するものです。）MIT のエンジニアは、厄介な質問に答えるために、有名なサンドイッチ クッキーを厳密な材料試験にかけました。ひねると 1 枚のウエハースになりますか?
「クリームを 2 枚のウエハースに均等に分散させるという興味深い問題がありますが、これは非常に難しいことがわかりました」と、MIT の機械工学科の学部生である Max Fan 氏は言います。
クッキーのクリームは、ひねると 1 枚のウエハースだけにくっつくのはなぜですか? MIT のエンジニアがその答えを追求します。
答えを求めて、研究者チームはクッキーを実験室で通常のレオロジー実験にさらし、味や詰め物の量に関係なく、オレオの中央のクリームは、ひねって開いたときにほぼ常に 1 つのウエハースに付着することを発見しました。古いクッキーの箱でのみ、クリームが 2 枚のウエハースの間でより均等に分割されることがあります。
科学者はまた、オレオをひねって開くのに必要なトルクを測定し、ドアノブを回すのに必要なトルクに似ており、ボトルキャップをひねって開くのに必要なトルクの約 10 分の 1 であることを発見しました。クリームの破壊応力 (つまり、クリームを流動または変形させるために必要な面積あたりの力) は、クリーム チーズとピーナッツ バターの 2 倍で、モッツァレラ チーズとほぼ同じ大きさです。ストレスに対するクリームの反応から判断すると、チームはその質感をもろく、固く、またはゴム状ではなく、「どろどろ」に分類しています。
オレオ クッキーをひねってクリーミーな中心部に到達させると、レオロジーの標準的なテストを模倣したことになります。つまり、非ニュートン材料がねじれたり、押されたり、その他の方法で応力を加えられたときにどのように流れるかを調べる研究です。
では、クッキーのクリームが両方に均等に分かれるのではなく、なぜ一方の側に偏ってしまうのでしょうか?製造工程が原因かもしれません.
「製造プロセスのビデオは、彼らが最初のウェーハを下に置き、その上にクリームのボールを分配してから、2 番目のウェーハを上に置くことを示しています」と、複雑な流体の特性を研究する MIT の機械工学の博士号候補である Crystal Owens は言います。 . 「明らかに、そのわずかな時間の遅れにより、クリームが最初のウエハースによりよく付着する可能性があります。」
チームの研究は、パンとバターの研究からの単なる甘い転用ではありません。また、レオロジーの科学を他の人が利用できるようにする機会でもあります。その目的のために、研究者は 3D プリント可能な「オレオメーター」を設計しました。これは、オレオ クッキーをしっかりとつかみ、小銭と輪ゴムを使用して、クッキーを徐々にねじって開くねじり力を制御するシンプルなデバイスです。卓上デバイスの説明は、こちらにあります。
新しい研究「オレオロジーについて、『ミルクのお気に入りのクッキー』の割れ目と流れについて」が、本日 Kitchen Flows に掲載されました。 、ジャーナル Physics of Fluids の特別号 .これは、多くの科学者の研究室が閉鎖されていたり、アクセスが困難だった Covid-19 パンデミックの初期に考案されました。 Owens と Fan に加えて、共著者は機械工学教授の Gareth McKinley と A. John Hart です。
お菓子のつながり
レオロジーの標準的なテストでは、流体、スラリー、またはその他の流動性材料をレオメーターとして知られる機器のベースに配置します。ベースの上の平行板を試験材料の上に降ろすことができます。次に、センサーが適用された回転とトルクを追跡すると、プレートがねじれます。
実験室のレオメーターを定期的に使用して、3D プリント可能なインクなどの流体材料をテストしているオーエンズは、サンドイッチ クッキーとの類似性に注目せずにはいられませんでした。彼女が新しい研究で書いているように:
「科学的には、サンドイッチ クッキーは、液体サンプルであるクリームが 2 つの平行板であるウエハースの間に保持される平行板レオメトリーのパラダイム モデルを提示します。ウエハースが反対方向に回転すると、クリームが変形して流れ、最終的に破砕し、クッキーが 2 つに分離します。」
オレオ クリームは流体のような性質を持っていないように見えるかもしれませんが、「降伏応力流体」と見なされます。これは、歯磨き粉、フロスティング、特定の化粧品、コンクリートのように、十分な応力がかかると流れ始めることができる、乱されていないときの柔らかい固体です.
他の人がオレオとレオロジーの関係を調査したかどうかについて興味を持ったオーエンズは、2016 年のプリンストン大学の研究への言及を見つけました。この研究では、実際、オレオを手でひねると、ほぼ必ず 1 枚のウエハースにクリームがはがれることが物理学者によって最初に報告されました。
「これに基づいて、この効果を実際に引き起こしているものを確認し、オレオをレオメーターに注意深く取り付けた場合にそれを制御できるかどうかを確認したかったのです」と彼女は言います.
クッキーツイスト
さまざまなフィリングとフレーバーの複数のクッキーに対して繰り返す実験で、研究者はオレオをレオメーターの上部プレートと下部プレートの両方に接着し、さまざまな程度のトルクと角度回転を適用し、各クッキーをうまくねじって離す値に注目しました.彼らは、クリームの粘弾性または流動性を計算するために、測定値を方程式に当てはめました。実験ごとに、彼らはクリームの「死後分布」、つまりひねって開いた後のクリームの行き先も記録しました。
チームは全部で約 20 箱のオレオを試しました。これには、レギュラー、ダブル スタフ、メガ スタフのフィリング レベルと、レギュラー、ダーク チョコレート、「ゴールデン」ウエハース フレーバーが含まれていました。驚いたことに、クリームのフィリングやフレーバーの量に関係なく、ほとんどの場合、クリームは 1 枚のウエハースに分離することがわかりました。
「サイズに基づいた効果を期待していました」とオーエンズは言います。 「層間にクリームが多ければ変形しやすいはず。しかし、実際にはそうではありません。」
不思議なことに、各クッキーの結果を箱の元の位置にマッピングすると、クリームが内側を向いているウェーハにくっつく傾向があることに気付きました。一方、右側のクッキーは、主に左側のウエハースでクリームで分離されています。彼らは、この箱の分布は、ねじる前であっても、クリームが外側のウエハースからわずかに剥がれる原因となる加熱や衝突など、製造後の環境効果の結果である可能性があると考えています.
オレオ クリームの特性から得られた理解は、他の複雑な流体材料の設計に適用できる可能性があります。
「私の 3D プリント液は、オレオ クリームと同じクラスの素材です」と彼女は言います。 「したがって、この新しい理解は、カーボン ナノチューブのスラリーから柔軟な電子機器を印刷しようとしているときに、インクをより適切に設計するのに役立ちます。それらはほぼ同じように変形するからです。」
クッキー自体については、オレオ ウエハースの内側がもっとざらざらしていれば、クリームが両面にくっつきやすく、ひねったときにより均等に裂けるのではないかと彼女は示唆しています。
「現在のように、クリームを均等に分割するためのひねりの秘訣はないことがわかりました」とオーエンスは結論付けています。
参照:「オレオロジーについて、"milk's favorite cookie®" の破砕と流れ」Crystal E. Owens、Max R. Fan、A. John Hart、Gareth H. McKinley 著、2022 年 4 月 19 日、流体の物理学 .
DOI:10.1063/5.0085362
この研究は、MIT UROP プログラムと国防科学工学大学院フェローシップ プログラムによって部分的に支援されました。
