MIT-Ingenieure stellen das Oreometer vor

Maschinenbauingenieure haben die Cremefüllung eines Oreos einer Reihe von Tests unterzogen, um zu verstehen, was passiert, wenn zwei Waffeln auseinandergedreht werden

21.04.2022 - USA

Wenn man einen Oreo-Keks aufdreht, um an den cremigen Kern zu gelangen, ahmt man einen Standardtest in der Rheologie nach - die Untersuchung, wie ein nicht-newtonsches Material fließt, wenn es gedreht, gedrückt oder anderweitig belastet wird. MIT-Ingenieure haben den Sandwich-Keks nun strengen Materialtests unterzogen, um einer spannenden Frage auf den Grund zu gehen: Warum klebt die Creme des Kekses an nur einer Waffel, wenn sie auseinandergedreht wird?

"Das faszinierende Problem besteht darin, die Creme gleichmäßig zwischen den beiden Waffeln zu verteilen, was sich als sehr schwierig erweist", sagt Max Fan, Student am MIT-Department of Mechanical Engineering.

Auf der Suche nach einer Antwort unterzog das Team die Kekse im Labor rheologischen Standardtests und stellte fest, dass die Creme in der Mitte eines Oreo unabhängig von der Geschmacksrichtung oder der Menge der Füllung fast immer an einer Scheibe haften bleibt, wenn man sie aufdreht. Nur bei älteren Keksschachteln trennt sich die Creme manchmal gleichmäßiger zwischen den beiden Waffeln.

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Die Forscher maßen auch das Drehmoment, das zum Aufdrehen eines Oreos erforderlich ist, und stellten fest, dass es dem Drehmoment ähnelt, das zum Drehen eines Türknaufs erforderlich ist, und etwa ein Zehntel des Drehmoments beträgt, das zum Aufdrehen eines Flaschenverschlusses erforderlich ist. Die Bruchspannung der Sahne - d. h. die Kraft pro Fläche, die erforderlich ist, um die Sahne zum Fließen oder zur Verformung zu bringen - ist doppelt so hoch wie die von Frischkäse und Erdnussbutter und etwa so hoch wie die von Mozzarella-Käse. Nach der Reaktion der Creme auf die Belastung zu urteilen, stuft das Team ihre Textur als "breiig" ein, nicht als spröde, zäh oder gummiartig.

Warum also klebt die Creme des Kekses an einer Seite, anstatt sich gleichmäßig auf beide aufzuteilen? Der Herstellungsprozess könnte daran schuld sein.

"Videos des Herstellungsprozesses zeigen, dass sie die erste Waffel auflegen und dann eine Kugel Sahne auf diese Waffel geben, bevor sie die zweite Waffel auflegen", sagt Crystal Owens, eine MIT-Doktorandin im Bereich Maschinenbau, die sich mit den Eigenschaften komplexer Flüssigkeiten beschäftigt. "Offenbar kann die Creme durch diese kleine Zeitverzögerung besser an der ersten Waffel haften.

Die Studie des Teams ist nicht nur eine nette Abwechslung zur Brot-und-Butter-Forschung, sondern auch eine Gelegenheit, die Wissenschaft der Rheologie anderen zugänglich zu machen. Zu diesem Zweck haben die Forscher ein 3D-druckbares "Oreometer" entworfen - ein einfaches Gerät, das einen Oreo-Keks fest umschließt und mit Hilfe von Pfennigen und Gummibändern die Drehkraft steuert, die den Keks nach und nach aufdreht. Eine Anleitung für das Tischgerät finden Sie hier.

Die neue Studie "On Oreology, the fracture and flow of 'milk's favorite cookie'" erscheint heute in Kitchen Flows, einer Sonderausgabe der Zeitschrift Physics of Fluids. Die Studie wurde zu Beginn der Covid-19-Pandemie konzipiert, als die Labors vieler Wissenschaftler geschlossen oder nur schwer zugänglich waren. Neben Owens und Fan sind die Maschinenbauprofessoren Gareth McKinley und A. John Hart Koautoren.

Verbindung zu Süßwaren

Bei einem rheologischen Standardtest wird eine Flüssigkeit, eine Aufschlämmung oder ein anderes fließfähiges Material auf die Basis eines Rheometers gelegt. Eine parallele Platte oberhalb der Basis kann auf das Testmaterial abgesenkt werden. Die Platte wird dann verdreht, während Sensoren die angewandte Drehung und das Drehmoment erfassen.

Owens, die regelmäßig ein Laborrheometer verwendet, um flüssige Materialien wie 3D-druckbare Druckfarben zu testen, konnte nicht umhin, eine Ähnlichkeit mit Sandwich-Keksen festzustellen. Wie sie in der neuen Studie schreibt:

"Wissenschaftlich gesehen stellen Sandwich-Kekse ein paradigmatisches Modell der Parallelplatten-Rheometrie dar, bei dem eine flüssige Probe, die Creme, zwischen zwei parallelen Platten, den Wafern, gehalten wird. Wenn die Scheiben gegenläufig gedreht werden, verformt sich die Creme, fließt und zerbricht schließlich, was zur Trennung des Kekses in zwei Teile führt".

Auch wenn die Oreo-Creme keine flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften zu haben scheint, gilt sie doch als "Fließspannung" - ein weicher Feststoff, der bei ausreichender Belastung zu fließen beginnt, so wie Zahnpasta, Zuckerguss, bestimmte Kosmetika und Beton es tun.

Owens war neugierig, ob auch andere die Verbindung zwischen Oreos und Rheologie erforscht hatten, und fand einen Hinweis auf eine Studie der Princeton University aus dem Jahr 2016, in der Physiker erstmals berichteten, dass sich beim Drehen von Oreos mit der Hand die Creme fast immer auf einer Waffel ablöste.

"Wir wollten darauf aufbauen, um zu sehen, was diesen Effekt tatsächlich verursacht und ob wir ihn kontrollieren können, wenn wir die Oreos vorsichtig auf unser Rheometer montieren", sagt sie.

Keks-Drehung

In einem Experiment, das sie für mehrere Kekse mit verschiedenen Füllungen und Geschmacksrichtungen wiederholten, klebten die Forscher einen Oreo sowohl auf die obere als auch auf die untere Platte eines Rheometers und wendeten unterschiedliche Drehmomente und Drehwinkel an, wobei sie die Werte notierten, die jeden Keks erfolgreich auseinanderdrehten. Sie setzten die Messwerte in Gleichungen ein, um die Viskoelastizität bzw. Fließfähigkeit der Creme zu berechnen. Für jedes Experiment notierten sie auch die "Post-Mortem-Verteilung" der Creme, d. h. wo die Creme nach dem Aufdrehen landete.

Insgesamt untersuchte das Team etwa 20 Schachteln Oreos mit normaler, Double Stuf- und Mega Stuf-Füllung sowie den Geschmacksrichtungen normale, dunkle Schokolade und "goldene" Waffeln. Überraschenderweise stellten sie fest, dass sich die Creme unabhängig von der Menge der Füllung oder der Geschmacksrichtung fast immer auf einer Waffel ablöste.

"Wir hatten einen größenabhängigen Effekt erwartet", sagt Owens. "Wenn mehr Creme zwischen den Schichten ist, sollte sie sich leichter verformen lassen. Aber das ist nicht der Fall."

Als sie das Ergebnis jedes Kekses seiner ursprünglichen Position in der Schachtel zuordneten, stellten sie fest, dass die Creme eher an der nach innen gerichteten Waffel klebte: Die Kekse auf der linken Seite der Schachtel verdrehten sich so, dass die Creme auf der rechten Scheibe landete, während die Kekse auf der rechten Seite sich trennten und die Creme hauptsächlich auf der linken Scheibe blieb. Die Forscher vermuten, dass diese Verteilung in der Schachtel auf Umwelteinflüsse nach der Herstellung zurückzuführen ist, z. B. Erhitzung oder Stöße, die dazu führen können, dass sich die Creme leicht von den äußeren Waffeln ablöst, noch bevor sie sich verdreht.

Das aus den Eigenschaften der Oreo-Creme gewonnene Verständnis könnte möglicherweise auch auf die Entwicklung anderer komplexer flüssiger Materialien angewendet werden.

"Meine 3D-Druckflüssigkeiten gehören zur gleichen Materialklasse wie Oreo-Creme", sagt sie. "Wenn ich also versuche, flexible Elektronik aus einer Aufschlämmung von Kohlenstoffnanoröhrchen zu drucken, kann mir dieses neue Verständnis helfen, die Tinte besser zu gestalten, weil sie sich fast genauso verformen.

Was den Keks selbst betrifft, so vermutet sie, dass die Creme besser an beiden Seiten haften und sich beim Drehen gleichmäßiger aufteilen könnte, wenn die Innenseite der Oreo-Waffeln stärker strukturiert wäre.

"So wie sie jetzt sind, haben wir festgestellt, dass es beim Drehen keinen Trick gibt, der die Creme gleichmäßig aufteilt", so Owens abschließend.

Diese Forschung wurde zum Teil vom MIT UROP-Programm und vom National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship Program unterstützt.

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