Si votre lotion à main est un peu plus coupée que d'habitude en sortant de la bouteille, cela pourrait avoir quelque chose à voir avec la «mémoire mécanique» du Goop.
Les gels et lotions doux sont fabriqués en mélangeant des ingrédients jusqu'à ce qu'ils forment une substance stable et uniforme. Mais même après un gel, il peut conserver des «souvenirs» ou une contrainte résiduelle, du processus de mélange. Au fil du temps, le matériau peut céder à ces contraintes intégrées et reculer dans son ancien état prémélacé. La mémoire mécanique explique en partie pourquoi la lotion à main se sépare et devient coulant avec le temps.
Maintenant, un ingénieur du MIT a conçu un moyen simple de mesurer le degré de stress résiduel dans les matériaux mous après avoir été mélangé, et a constaté que des produits courants comme le gel capillaire et la crème de rasage ont des souvenirs mécaniques plus longs, en tenant des contraintes résiduelles pendant de plus longues périodes que les fabricants auraient pu supposer.
Dans une étude apparaissant dans Lettres d'examen physiqueCrystal Owens, un postdoc dans le laboratoire d'informatique et d'intelligence artificielle du MIT (CSAIL), présente un nouveau protocole pour mesurer le stress résiduel dans les matériaux mous et de type gel, en utilisant un rhéomètre de benchtop standard.
En appliquant ce protocole à des matériaux souples quotidiens, Owens a constaté que si un gel est fabriqué en le mélangeant dans une direction, une fois qu'il s'installe dans un état stable et uniforme, il conserve efficacement la mémoire de la direction dans laquelle il est mélangé. Même après plusieurs jours, le gel tiendra un stress interne qui, s'il est libéré, entraînera un changement de gel dans la direction opposée à la façon dont il a été initialement mélangé, revenant à son état antérieur.
« C'est une des raisons pour lesquelles différents lots de cosmétiques ou de nourriture se comportent différemment même s'ils ont subi une fabrication » identique « », explique Owens. « Comprendre et mesurer ces contraintes cachées pendant le traitement pourrait aider les fabricants à concevoir de meilleurs produits qui durent plus longtemps et à fonctionner plus prévisible. »
Un verre doux
La lotion à la main, le gel capillaire et la crème à raser relèvent tous de la catégorie des «matériaux vitreux doux» – des matériels qui présentent des propriétés des solides et des liquides.
« Tout ce que vous pouvez verser dans votre main et il forme un monticule doux va être considéré comme un verre doux », explique Owens. « Dans la science des matériaux, il est considéré comme une version douce de quelque chose qui a la même structure amorphe que le verre. »
En d'autres termes, un matériau vitreux doux est un amalgame étrange d'un solide et d'un liquide. Il peut être versé comme un liquide, et il peut maintenir sa forme comme un solide. Une fois fabriqués, ces matériaux existent dans un équilibre délicat entre le solide et le liquide. Et Owens s'est demandé: pendant combien de temps?
« Qu'arrive-t-il à ces matériaux après de très longues temps? Se détendent-ils enfin ou ne se détendent-ils jamais? » Dit Owens. « Du point de vue de la physique, c'est un concept très intéressant: quel est l'état essentiel de ces matériaux? »
Se tordre
Dans la fabrication de matériaux vitreux doux tels que le gel capillaire et le shampooing, les ingrédients sont d'abord mélangés dans un produit uniforme. Les ingénieurs de contrôle de la qualité ont ensuite laissé un échantillon reposer pendant environ une minute – une période de temps qu'ils supposent suffisant pour permettre la dissipation des contraintes résiduelles du processus de mélange. Pendant ce temps, le matériau doit s'installer dans un état stable et stable, prêt à l'emploi.
Mais Owens soupçonnait que les matériaux pourraient détenir un certain degré de stress du processus de production longtemps après qu'ils aient semblé s'installer.
« Le stress résiduel est un faible niveau de stress qui est piégé à l'intérieur d'un matériau après son arrivée à l'état d'équilibre », explique Owens. « Ce type de stress n'a pas été mesuré dans ce type de matériaux. »
Pour tester son hypothèse, elle a effectué des expériences avec deux matériaux verts doux communs: le gel capillaire et la crème à raser. Elle a fait des mesures de chaque matériau dans un rhéomètre – un instrument composé de deux plaques rotatives qui peuvent tordre et appuyer un matériau ensemble à des pressions et des forces contrôlées avec précision qui se rapportent directement aux contraintes et souches internes du matériau.
Dans ses expériences, elle a placé chaque matériau dans le rhéomètre et a tourné la plaque supérieure de l'instrument pour mélanger le matériau. Ensuite, elle a laissé le matériel s'installer, puis s'installer un peu plus – un peu plus d'une minute.
Pendant ce temps, elle a observé la quantité de force qu'il a fallu le rhéomètre pour maintenir le matériau en place. Elle a estimé que plus la force du rhéomètre est grande, plus elle devait contrer toute contrainte dans le matériau qui, autrement, le ferait sortir de son état actuel.
Au cours de plusieurs expériences utilisant ce nouveau protocole, Owens a constaté que différents types de matériaux vitreux doux contenaient une quantité importante de stress résiduel, longtemps après que la plupart des chercheurs supposaient que le stress s'était dissipé. De plus, elle a constaté que le degré de stress selon lequel un matériau conservé était le reflet de la direction dans laquelle il était initialement mélangé et lorsqu'il était mélangé.
« Le matériau peut effectivement » se souvenir « de quelle direction il a été mélangé et il y a combien de temps », explique Owens. « Et il s'avère qu'ils détiennent ce souvenir de leur passé, beaucoup plus longtemps que nous le pensons. »
En plus du protocole qu'elle a développé pour mesurer le stress résiduel, Owens a développé un modèle pour estimer comment un matériau changera avec le temps, compte tenu du degré de stress résiduel qu'il détient. En utilisant ce modèle, elle dit que les scientifiques pourraient concevoir des matériaux avec une «mémoire à court terme» ou très peu de stress résiduel, de sorte qu'ils restent stables sur des périodes plus longues.
Un matériau où elle voit de la place pour une telle amélioration est l'asphalte – une substance qui est d'abord mélangée, puis versée sous forme foncière sur une surface où elle se refroidit et s'installe ensuite avec le temps. Elle soupçonne que les contraintes résiduelles du mélange de l'asphalte peuvent contribuer à la formation de fissures dans la chaussée au fil du temps. La réduction de ces contraintes au début du processus pourrait conduire à des routes plus durables et plus résilientes.
« Les gens inventent tout le temps de nouveaux types d'asphalte pour être plus respectueux de l'environnement, et tous ces niveaux auront différents niveaux de stress résiduel qui auront besoin d'un certain contrôle », dit-elle. « Il y a beaucoup de place à explorer. »
