Gli ingegneri del MIT introducono l’Oreometro
Gli ingegneri meccanici hanno sottoposto il ripieno di crema di Oreo a una batteria di test per capire cosa succede quando due wafer vengono attorcigliati.
Quando apri un biscotto Oreo per raggiungere il centro cremoso, stai imitando un test standard di reologia: lo studio di come scorre un materiale non newtoniano quando viene attorcigliato, pressato o altrimenti sollecitato. Gli ingegneri del MIT hanno ora sottoposto il biscotto sandwich a rigorosi test sui materiali per arrivare al centro di una domanda allettante: perché la crema del biscotto si attacca a un solo wafer quando è attorcigliata?
“C’è l’affascinante problema di cercare di distribuire uniformemente la crema tra i due wafer, il che si rivela davvero difficile”, afferma Max Fan, uno studente universitario del Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT.
Alla ricerca di una risposta, il team ha sottoposto i biscotti a test di reologia standard in laboratorio e ha scoperto che, indipendentemente dal sapore o dalla quantità di ripieno, la crema al centro di un Oreo si attacca quasi sempre a una cialda quando viene aperta. Solo per le scatole di biscotti più vecchie la crema a volte si separa in modo più uniforme tra i due wafer.
I ricercatori hanno anche misurato la coppia necessaria per aprire un Oreo e hanno scoperto che era simile alla coppia richiesta per girare una maniglia e circa 1/10 di quella necessaria per aprire un tappo di bottiglia. Lo stress da cedimento della crema, ovvero la forza per area richiesta per far fluire o deformare la crema, è il doppio di quella del formaggio cremoso e del burro di arachidi e all’incirca della stessa entità della mozzarella. A giudicare dalla risposta della crema allo stress, il team classifica la sua consistenza come “molliccia”, piuttosto che fragile, dura o gommosa.
Quindi, perché la crema del biscotto si fissa su un lato piuttosto che dividersi equamente tra entrambi? La colpa potrebbe essere del processo di produzione.
“I video del processo di produzione mostrano che mettono giù il primo wafer, quindi distribuiscono una palla di crema su quel wafer prima di mettere sopra il secondo wafer”, afferma Crystal Owens, un dottorando di ingegneria meccanica del MIT che studia le proprietà dei fluidi complessi . “Apparentemente quel piccolo ritardo potrebbe far aderire meglio la crema al primo wafer.”
Lo studio del team non è semplicemente un dolce diversivo dalla ricerca sul pane e burro; è anche un’opportunità per rendere accessibile agli altri la scienza della reologia. A tal fine, i ricercatori hanno progettato un “Oreometro” stampabile in 3D, un semplice dispositivo che afferra saldamente un biscotto Oreo e utilizza penny ed elastici per controllare la forza di torsione che progressivamente apre il biscotto. Le istruzioni per il dispositivo da tavolo sono disponibili qui .
Il nuovo studio, ” Sull’oreologia, la frattura e il flusso del ‘biscotto preferito del latte ‘”, appare oggi in Kitchen Flows , un numero speciale della rivista Physics of Fluids . È stato concepito all’inizio della pandemia di Covid-19, quando i laboratori di molti scienziati erano chiusi o di difficile accesso. Oltre a Owens e Fan, i coautori sono i professori di ingegneria meccanica Gareth McKinley e A. John Hart.
Collegamento della confezione
Un test standard in reologia posiziona un fluido, un impasto liquido o altro materiale scorrevole sulla base di uno strumento noto come reometro. Una piastra parallela sopra la base può essere abbassata sul materiale di prova. La piastra viene quindi attorcigliata mentre i sensori tracciano la rotazione e la coppia applicate.
Owens, che usa regolarmente un reometro da laboratorio per testare materiali fluidi come inchiostri stampabili in 3D, non ha potuto fare a meno di notare una somiglianza con i biscotti sandwich. Come scrive nel nuovo studio:
“Scientificamente, i biscotti sandwich presentano un modello paradigmatico di reometria a piastre parallele in cui un campione fluido, la crema, è trattenuto tra due piastre parallele, i wafer. Quando i wafer vengono controruotati, la crema si deforma, scorre e alla fine si rompe, portando alla separazione del biscotto in due pezzi”.
Sebbene la crema Oreo possa non sembrare in possesso di proprietà fluide, è considerata un “fluido da stress di rendimento” – un solido morbido quando imperturbato che può iniziare a fluire sotto uno stress sufficiente, come fanno il dentifricio, la glassa, alcuni cosmetici e il cemento.
Curioso di sapere se altri avessero esplorato la connessione tra Oreo e reologia, Owens ha trovato menzione di uno studio dell’Università di Princeton del 2016 in cui i fisici hanno riferito per la prima volta che, in effetti, quando si torcono gli Oreo a mano, la crema si stacca quasi sempre su un wafer.
“Volevamo basarci su questo per vedere cosa causa effettivamente questo effetto e se potessimo controllarlo se avessimo montato con cura gli Oreo sul nostro reometro”, dice.
Colpo di biscotto
In un esperimento che avrebbero ripetuto per più biscotti di vari ripieni e gusti, i ricercatori hanno incollato un Oreo sia sulla piastra superiore che su quella inferiore di un reometro e hanno applicato vari gradi di coppia e rotazione angolare, rilevando i valori che hanno torto con successo ogni biscotto a parte. . Hanno inserito le misurazioni nelle equazioni per calcolare la viscoelasticità o la fluidità della crema. Per ogni esperimento, hanno anche notato la “distribuzione post mortem” della crema, o dove la crema è finita dopo essere stata aperta.
In tutto, il team ha esaminato circa 20 scatole di Oreo, inclusi i livelli di ripieno normale, Double Stuf e Mega Stuf e i gusti normali, cioccolato fondente e wafer “dorati”. Sorprendentemente, hanno scoperto che, indipendentemente dalla quantità di ripieno di crema o dal sapore, la crema quasi sempre si separava su un wafer.
“Ci aspettavamo un effetto basato sulle dimensioni”, afferma Owens. “Se c’era più crema tra gli strati, dovrebbe essere più facile da deformare. Ma in realtà non è così”.
Curiosamente, quando hanno mappato il risultato di ogni biscotto nella sua posizione originale nella scatola, hanno notato che la crema tendeva ad attaccarsi alla cialda rivolta verso l’interno: i biscotti sul lato sinistro della scatola si attorcigliavano in modo tale che la crema finisse sulla cialda destra, mentre i biscotti sul lato destro separati con la panna per lo più sulla cialda di sinistra. Sospettano che questa distribuzione della scatola possa essere il risultato di effetti ambientali successivi alla produzione, come il riscaldamento o la spinta che potrebbe far staccare leggermente la crema dai wafer esterni, anche prima della torsione.
La comprensione acquisita dalle proprietà della crema Oreo potrebbe essere potenzialmente applicata alla progettazione di altri materiali fluidi complessi.
“I miei fluidi per la stampa 3D sono nella stessa classe di materiali della crema Oreo”, afferma. “Quindi, questa nuova comprensione può aiutarmi a progettare meglio gli inchiostri quando sto cercando di stampare componenti elettronici flessibili da una sospensione di nanotubi di carbonio, perché si deformano quasi esattamente nello stesso modo”.
Per quanto riguarda il biscotto stesso, suggerisce che se l’interno dei wafer Oreo fosse più strutturato, la crema potrebbe aderire meglio su entrambi i lati e dividersi in modo più uniforme se attorcigliata.
“Come sono ora, abbiamo scoperto che non c’è nessun trucco per torcere che dividerebbe la crema in modo uniforme”, conclude Owens.
Questa ricerca è stata supportata, in parte, dal programma MIT UROP e dal National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program.
