乳液放置后為什么會(huì)分層、變稀？MIT團(tuán)隊(duì)揭開“機(jī)械記憶”秘密

日常生活中，我們常常會(huì)遇到這樣的情況：剛買來的乳液質(zhì)地細(xì)膩柔滑，但放置一段時(shí)間后，卻容易出現(xiàn)分層、變稀的現(xiàn)象。很多人以為這只是保存不當(dāng)或產(chǎn)品質(zhì)量問題，其實(shí)背后隱藏著材料科學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵概念——“機(jī)械記憶”（mechanical memory）。

乳液通常是由多種成分混合制成的穩(wěn)定而均勻的物質(zhì)。但即使在成型后，它們?nèi)詴?huì)保留混合過程中的“記憶”或殘余應(yīng)力。隨著時(shí)間推移，這些材料可能會(huì)逐漸屈服于這些隱藏的應(yīng)力，部分回到混合前的狀態(tài)。這種機(jī)械記憶正是乳液出現(xiàn)分層、變稀的重要原因之一。

如今，麻省理工學(xué)院（MIT）的一名工程師提出了一種簡單方法，可以測量軟性材料在混合后所保留的殘余應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)，像發(fā)膠和剃須泡沫這樣的常見產(chǎn)品，其機(jī)械記憶遠(yuǎn)比制造商原本以為的要長。相關(guān)研究已發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）。

護(hù)手霜、發(fā)膠和剃須泡沫，都屬于“軟玻璃態(tài)材料”（soft glassy materials）——兼具固體和液體特性的物質(zhì)。從材料科學(xué)的角度看，軟玻璃具有和真正玻璃類似的無序結(jié)構(gòu)。玻璃是一種沒有晶體結(jié)構(gòu)的固體，而軟玻璃則是它的“柔性版本”。換句話說，軟玻璃既能像液體一樣倒出，又能像固體一樣保持形狀，它們存在于固液之間的微妙平衡。

在上述產(chǎn)品的生產(chǎn)中，原料首先被混合成均勻狀態(tài)。質(zhì)量控制工程師通常會(huì)讓樣品靜置一分鐘，以確保混合過程中產(chǎn)生的應(yīng)力已經(jīng)釋放。人們普遍認(rèn)為，這樣處理后，產(chǎn)品就已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，可以放心裝瓶銷售。

但 MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的博士后 Crystal Owens 懷疑，這些材料的應(yīng)力可能遠(yuǎn)比一分鐘更“頑固”。她認(rèn)為，即便產(chǎn)品表面看起來均勻穩(wěn)定，內(nèi)部可能依舊存在著“低水平”的隱藏應(yīng)力，也就是殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力不會(huì)立刻顯現(xiàn)，卻會(huì)在時(shí)間推移中逐漸釋放，改變材料的流變特性，導(dǎo)致我們看到的分層、變稀現(xiàn)象。

她想知道：這種平衡能維持多久？

為此，她在實(shí)驗(yàn)中使用了流變儀——一種由兩塊可旋轉(zhuǎn)平板組成的精密儀器，能夠通過施加扭轉(zhuǎn)和壓力來檢測材料的應(yīng)力和應(yīng)變。

她將發(fā)膠和剃須泡沫放入流變儀中，用上板攪動(dòng)混合，再讓其靜置。不同于傳統(tǒng)的一分鐘，她讓樣品靜置更長時(shí)間，并記錄儀器為保持樣品穩(wěn)定所需的力。力越大，說明材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力越強(qiáng)。

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這類軟玻璃材料在長時(shí)間后仍保持顯著殘余應(yīng)力。更重要的是，這種應(yīng)力還會(huì)“記錄”材料最初的混合方向和混合時(shí)長。如果將凝膠朝一個(gè)方向混合，在表面看似穩(wěn)定之后，它仍然會(huì)“記住”最初的混合方向。即使過了幾天，這種內(nèi)在的應(yīng)力依然存在，一旦釋放，就會(huì)驅(qū)使材料朝與初始混合相反的方向移動(dòng)，回到某種早期狀態(tài)。

“這也是為什么即使在‘相同工藝’下生產(chǎn)的化妝品或食品，不同批次之間仍然會(huì)表現(xiàn)出差異。理解并測量這些隱藏的應(yīng)力，可以幫助制造商設(shè)計(jì)出更耐用、更穩(wěn)定的產(chǎn)品。”O(jiān)wens 解釋道。

在新實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，Owens 還提出了一個(gè)模型，可以根據(jù)殘余應(yīng)力預(yù)測材料隨時(shí)間的變化趨勢。她認(rèn)為，這將幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)具有“短期記憶”的材料，即殘余應(yīng)力較小，從而在更長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。

例如，瀝青就是一個(gè)潛在的改進(jìn)對象。在鋪路時(shí)，瀝青需要被混合、加熱、再攤鋪。隨著時(shí)間推移，路面往往會(huì)出現(xiàn)裂縫。她懷疑，這與瀝青在生產(chǎn)和鋪設(shè)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力有關(guān)。如果在初期就能減少這種應(yīng)力，或許能顯著延長道路的使用壽命。

“如今，人們不斷研發(fā)更環(huán)保的新型瀝青，但不同配方必然會(huì)帶來不同程度的殘余應(yīng)力。如果不能控制，就可能縮短道路壽命。因此，這一研究方向還有很大的探索空間。”O(jiān)wens 補(bǔ)充道。

本研究得到 MIT 工程卓越博士后獎(jiǎng)學(xué)金和 MIT Mathworks 獎(jiǎng)學(xué)金的支持。

1.https://news.mit.edu/2025/soft-materials-hold-past-memories-longer-previously-thought-0903