為什麼彩條牙膏的顏色不會混合？

七君

每天刷牙的時候，你有沒有想過彩條牙膏的彩條怎麼來的？為什麼不同顏色的彩條在牙膏管子里不會混在一起？

其實，如今的彩條牙膏在管子里的樣子和擠出來的樣子差不多。你可以切開一個看看。切開的牙膏是這樣的：

如果把彩條牙膏凍住，然後剪開包裝，就是這樣的：

那麼彩條牙膏是怎麼製作的呢？

在工廠里的時候，機器把不同顏色的彩條分別裝到一個中間有隔板的管子里，不同顏色的彩條被隔板隔開。接著就像做冰淇淋那樣，機器把所有彩條一起打到牙膏管子里。

▲ 彩條牙膏的製作

那麼問題就來了，不同顏色的彩條在牙膏里怎麼不會混合在一起，尤其是在被擠了很多次以後？

這要分成靜止狀態和擠牙膏2個情況討論。

靜止的牙膏里的彩條不變色，主要是因為2個因素——牙膏的流體物理性質以及彩條所用的色素。

牙膏是一種賓漢流體（bingham plastic），屬於非牛頓流體。除了牙膏，血液、酸奶、蛋黃醬都是賓漢流體。

▲ 保齡球在神奇的非牛頓流體上彈彈彈。非牛頓流體看著像水，但卻比水「結實」。

賓漢流體的一個超強屬性就是，在不受力，比如沒有被擠壓的情況下，它可以像固體一樣基本不流動。而受到了一定程度的擠壓後，賓漢流體才能開始流動。

因此當牙膏沒有被你擠的時候，彩條能保持比較稠密的狀態，比較接近不能流動的固體，可以在牙膏管里互不干擾。

另外，在一般情況下，不同顏色的染料會發生滲色（bleeding）的現象。彩條牙膏的生產廠家為了防止彩條互相滲色，常用聚乙烯包裹染料，使它們變得穩定。

這就是靜止的牙膏彩條不會混合的兩大原因。

▲ 紅色和藍色是常用的彩條顏色

那麼在擠牙膏的時候，為什麼不同顏色的彩條不會混合呢？

剛才說到牙膏是一種賓漢流體。當你在擠牙膏的時候，彩條就會流動起來，變得更像液體而不是固體，這樣它們才能從牙膏管子里流出。

當牙膏流動的時候，它就必須要符合一個可怕的流體力學規律——雷諾數（Reynolds number）。

▲ 雷諾數的計算公式，開不開心，驚不驚嚇？

計算雷諾數的這個公式看看就好了，反正我們以後不考。它的意思是，一種流體的粘度（viscosity）越大，它的雷諾數就越小；反之粘度越小，雷諾數就越大。

▲ 粘度低（左）和粘度高（右）的液體

那麼雷諾數高或者低又有什麼影響呢？

雷諾數決定了液體是怎樣流動的。

具體來說，如果雷諾數小於2100，那麼液體將這樣流動：

▲ 層流

這種流動叫做層流（laminar flow），層流的液體平行運動，不會攪和在一起。

如果雷諾數大於4000，那麼液體將這樣流動：

▲ 湍流

這種流動叫做湍流（turbulent flow），看圖就知道，湍流的液體互相混合。

▲ 上面2個是層流，下面2個是湍流

對於牙膏來說，它的粘度非常大，因此它的流動只能是層流。擠牙膏的時候，位於邊緣的彩條和中間的白條一起平行流出，所以擠出來的牙膏彩條也不會混合在一起。

當然了，牙膏和粘度較小的水混合後，雷諾數蹭蹭上漲，所以彩條的顏色就會混在一起，水乳交融了。

最後，因為不同顏色的彩條有相同的流速（它們的流變學性質相同），因此可以保證擠到最後也不會出現某種彩條被首先擠完的情況。

不過，當彩條牙膏剛剛誕生的時候，可不是現在這個樣子。

▲ 歷史上最早的彩條牙膏管子設計，和現在的彩條牙膏很不一樣

在最早的彩條牙膏管子里，彩條被分別牙膏管里的不同位置。這個設計是在1955年出現的，它的發明人是個叫做 Leonard Lawrence Marraffino 的美國人。一開始 Marraffino 想設計的是一種帶斑點的牙膏，沒想到意外設計出了彩條牙膏。

在這種彩條牙膏里，兩種不同顏色的彩條並不是被組合好再打到牙膏管子里的。

實際上，紅色的彩條被放在靠近牙膏管子開口的地方。白色的彩條比較多，它被放在在靠後的位置。牙膏口子向內延伸了一段，這一段上面有幾個狹長的縫，紅色彩條就是從這裡流出來，然後和白色彩條匯合的。

那麼怎麼保證擠到最後還有2種顏色的彩條呢？

這是因為在這種牙膏里，紅色彩條和白色彩條的粘度不同，紅色彩條的粘度比較小，所以它更加順滑，流得比較快。白色彩條的粘度更大，流得更慢。

這兩種不同粘度的彩條搭配以後，就能保證直到最後一滴，擠出來的牙膏都有兩種顏色。

不過，這種設計的銷量並不好，後來逐漸被更加簡單的設計，也就是我們現在使用的彩條牙膏替代了。

- 我想科學家是想委婉地告訴我們，便便在出世前就已經擺好造型了~

- 刷牙的時候不要說這麼噁心的事。

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圖片來源：Groundwater Dictionary, wikipedia, ScienceAlert,nP-dogs blog, Business Insider, giphy, imgur

參考資料：

https://www.gsk.com/en-gb/behind-the-science/patients-consumers/science-of-a-different-stripe/

https://bashny.net/t/en/91030

https://www.sciencesetavenir.fr/fondamental/70-ans-de-sciences-et-avenir-le-secret-du-dentifrice-a-rayures_116813

https://www.youtube.com/watch?v=RVZ6mUffJgw

https://www.britannica.com/science/laminar-flow

https://www.archtoolbox.com/materials-systems/hvac/laminarflowvsturbulentflow.html

http://www.russochemie.ru/upload/iblock/documents/Brochure%20Cosmetic%20Dispersions.pdf

http://www.sensient-cosmetics.com/pageLibre000105e3.aspx

http://ijppsjournal.com/Vol3Suppl3/2152.pdf

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