Фізики навчилися програмувати форму готової пасти, видавлюючи канавки на поверхні плоского сирого виробу, і теоретично описали механізм трансформації таких макаронів у воді. Результати експериментів і комп'ютерних симуляцій можуть допомогти в харчовій промисловості: прес-форми дозволять отримувати велику різноманітність форм, а зберігання виробів у плоскому вигляді заощадить близько 60-90 відсотків обсягу упаковок, який зазвичай заповнений повітрям. Стаття опублікована в журналі.
Пластик, що використовується при упаковці їжі, становить сьогодні істотну частку відходів на звалищах (наприклад, у США - є основним джерелом відходів). У зв'язку з цим важливо оптимізувати способи зберігання продуктів - зокрема, прагнути розумно використовувати обсяг упаковки, не виробляючи зайвого пластику.
Один з типів харчових продуктів, які потребують такої оптимізації, - об'ємні форми пасти: упаковки цих виробів, як правило, більш ніж наполовину заповнені повітрям, а самі тривимірні макарони стають більш крихкими порівняно з плоскими формами і частіше ламаються при транспортуванні.
Можливе рішення полягає в тому, щоб «програмувати» вироби так, щоб при зберіганні паста залишалася плоскою, а під час приготування - мимовільно приймала потрібну форму. Робити це можна по-різному - наприклад, у 2017 році фізики використовували для цього два шари желатину, які вбирали вологу з різною швидкістю і змушували пасту згинатися у форму, визначену розташуванням додатково нанесених смужок целюлози.
Тим не менш, до недавнього часу в подібні дослідження, як правило, проводилися емпірично і не надавали кількісних моделей (які потрібні для проектування форми виробів), а також обмежувалися невеликим набором простих форм.
Фізики з Китаю, Сінгапуру і США під керівництвом Вень Ван (Wen Wang), Лінін Яо (Lining Yao) з Університету Карнегі - Меллона і Тен Чжан (Невеликий Zhang) з Сиракузького університету розглянули інший спосіб досягти мимовільної деформації пасти - замість того, щоб робити їхні вироби багатошарними.
Для експериментів вчені виготовили тісто з манного борошна і ліпили з нього плоскі зразки сантиметрових розмірів і двоміліметрової товщини. Після цього дослідники втиснули (як автоматично, так і вручну) в ці зразки заздалегідь виготовлені на 3D-принтері прес-форми, щоб створити на поверхні виробів невеликі (близько міліметра в глибину і ширину) канавки. Після цього зразки протягом 20 хвилин зберігалися на відкритому повітрі, щоб забезпечити стабільне протікання дослідів.
При зануренні у воду паста поступово згиналася рівною стороною назовні, оскільки через канавки дифузія протікала з різною швидкістю в різних областях виробів, і ті набухали нерівномірно. Розташування канавок під кутом один до одного і країв зразка дозволяло регулювати підсумкову форму пасти.
Щоб детальніше вивчити механізми і закономірності, які супроводжують викривлення пасти, фізики також використовували плоскі смужки з полідіметилоксану (ПДМС) довжиною і шириною порядку одиниць-десятків сантиметрів. Властивості цього полімера добре вивчені, що дозволило проводити численні симуляції процесу дифузії, а текстурою на поверхні такого матеріалу можна керувати з більшою точністю, ніж для харчового тесту - завдяки цьому вчені могли відстежувати залежність викривлення зразків від параметрів канавок на їх поверхнях.
В результаті авторам вдалося надати пасті і ПДМС близько десятка різних форм, включаючи форми з ненульовою гаусовою кривизною. Виявилося, що на досягнення цільової форми йде близько сотень секунд (в експериментах з пастою - від трьох до тринадцяти хвилин), кривизна виробу назад пропорційна періоду нанесення канавок (тобто сумі ширини однієї западини і відстані між сусідніми западинами), а для спіралевидних форм відстань між сусіднім витками збільшується зі зменшенням кута між смужками канавок і поздовжнім кордоном зразка. Крім того, за оцінками вчених, представлені в роботі текстури дозволять зберегти 59-86 відсотків обсягу продуктових упаковок.
Автори відзначають, що прогнози комп'ютерних симуляцій якісно збіглися з результатами реальних дослідів, що може виявитися корисним для подальшого проектування форм пасти в харчовій промисловості, проте для точних численних моделей потрібен більш ретельний аналіз властивостей харчового матеріалу - зокрема, в'язкопластичності, пороупругості і в'язкоупругості.
За останній час макаронні вироби не вперше привертають увагу фізиків - в 2018 році ми розповідали про те, як вони навчилися ламати спагеті навпіл, а в 2020 - як розібралися в згинанні виробів під час приготування.