你的巧克力糖衣到底有多薄多脆?│技研院

編者按：佩德羅·雷斯（Pedro Reis）和他的團隊開始是受到了夾心糖果和巧克力外殼生產視頻的啟發。他們想知道是否能有方法來準確的預測類似這種巧克力或其他液體生成的外殼的厚度。

17世紀以來，糖果製造商們的夾心糖製造工藝已經相當完美，代代相傳的技術本就已經可以製作出完美光滑的糖衣，即便是使用巧克力。

為了更加完美，麻省理工學院（MIT）的工程師們提出了新的理論，通過簡單的操作就能打造出更加光滑均勻的外殼，除此之外還能精確調整它的厚度。這項研究的應用領域遠遠不止小小的巧克力店：只需要幾個關鍵變數，工程師們就可以預測許多其他的外殼，小到藥用膠囊，大到飛機火箭。他們的研究結果已經在《自然通信》（Nature Communications）雜誌上發表。

這種能夠快速生產即薄又富有有彈性外殼的製造技術，通過向類似乒乓球一樣的圓頂形模具上澆注極細的液態聚合物。只需要十五分鐘，液態聚合物就可以塗覆並固化在模具上。脫模後你會發現它非常的光滑，幾乎看不到缺陷，而且各處的厚度幾乎毫無差別。

結合他們的理論和簡單的技術，只需改變一些變數，比如模具的尺寸和聚合物的密度就能得到各種厚度的殼。令人驚訝的是，殼的最終厚度並不取決於倒入模具的液體體積或高度。

「可以把這個公式看成是一個配方」， 佩德羅·雷斯——麻省理工學院，機械工程、土木與環境工程專業副教授吉爾伯特·W·維斯羅（Gilbert W. Winslow）說，「 我敢肯定，巧克力製造商們都有自己獨到的經驗和技術。但是，通過我們的理論你可以對整個過程有更好更定量的了解，而且現在厚度都可以預測了。」

雷斯希望他們團隊的理論能夠再次振興這門曾經在上世紀五六十年代蓬勃發展的科學-——殼體力學。

「這項技術實現簡易，產品牢固，而且成型迅速，此外我們還提供了成熟的設計方案以及能夠量化這種薄殼生產的預測框架。」雷斯說：「我們以嶄新的視角重新審視這個經典的話題，我相信這會成為一個強大技術」。

雷斯的其他共同作者包括：MIT畢業生及主要作者安娜·李（Anna Lee），博士後喬爾·馬塞洛特（Joel Marthelot），應用數學講師皮埃爾-托馬斯·布朗（Pierre-Thomas Brun），MIT畢業生吉爾里·巴勒斯塔（Gioele Balestra）以及瑞士聯邦理工學院的弗朗索瓦·加萊爾教授（Professor Fran?ois Gallaire）。

殼的厚薄

雷斯的團隊最開始受到了夾心糖果核巧克力糖衣製作視頻的啟發。巧克力製作商簡單的把巧克力漿倒入磨具然後翻轉將多餘的巧克力倒出，這樣就能得到一個厚度相對均一的巧克力殼。他們想知道是否能有一種方法來預測這種巧克力或者類似的由液態膜生成殼的最終厚度。

他們通過向球形模具澆注液態聚合物溶液的模擬技術來製作各種各樣的殼體。脫模後再一剖為二，他們發現底部和頂部的厚度竟然幾乎一樣，可是這是為什麼呢?

為了回答這個問題，雷斯的團隊通過實驗，系統的分析了各項參數對塗層動態的影響，包括聚合物的物理特性，模具的尺寸，澆注速度以及固化時間。

基於他們的數據，科學家們得出了一個來估算殼體厚度的簡單公式，即：聚合物液體粘度與球形模具半徑兩者求積，再除以固化時間、聚合物液體密度和重力加速度三者之積，所得商的平方根就是殼體厚度。

從這個公式可以看出： 模具半徑越大，液體流到底部的時間越長，殼體就會越厚；而固化時間如果越久，液體流動越快，殼體就會越薄。

就像在等巧克力變硬

接下來加萊爾領的科學家們開發了一個數字分析模型。通過這個模型他們建立了更加複雜的，難以在實驗室進行的實驗設定來進一步測試這個簡單的數學公式。「當然你也可以在實驗室里躺在成噸的乒乓球中間就像安娜和喬爾一樣來測試不同的情況，但是用數字化模型，你更能得到靈感」 布朗說道。

事實上，通過他們的模型，科學家們測試了複雜的塗層模式和聚合物固化時間的影響。

最後，通過這一系列的建模和實驗，雷斯和他的同事們發現他們可以通過縮短聚合物的固化時間來控制殼體的厚度。在混合製備了聚合物後，他們在澆注之前先等它變的稍稠。因為聚合物已經稠化，所以澆注後它會很快凝固。這樣的結果是更多的聚合物凝固在模具上而不是流走。

李說道: 「通過澆注前等待這種方式，我們能把厚度增加到以前的11倍。」

「只需要簡單的調節等待的時間，我們就能達到需要的效果。」雷斯說道: 「所以我覺得我們可以用『急速成型』來形容這項技術。通常這個術語是用在3D列印和其他一些昂貴設備上的，但是不是么?它也可以用來描述往模具里倒巧克力這麼簡單的事情。」

本研究部分由國家科學基金(National Science Foundation)贊助。

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