Het perfecte stuk chocola ontwerpen (video)

In onderzoek dat is gepubliceerd in Soft Matter, laten onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Delft en Unilever zien dat het mondgevoel van een eetbare stof kan worden ontworpen, net als eigenschappen van veel andere materialen. Dat wil zeggen: ze maken metamaterialen, materialen die niet in de natuur voorkomen, maar die zorgvuldig in het lab worden geconstrueerd. Hun favoriete bouwmateriaal is … chocolade.

Ontwerp van mondgevoel

Zoals zowel professionele als amateurbakkers heel goed weten, is chocolade geen gemakkelijk materiaal om mee te werken. Door het simpelweg op te warmen en af ​​te koelen, kan zachte chocolade veranderen in veel brozer getemperde chocolade, of omgekeerd. De eerste uitdaging voor de onderzoekers was dan ook om hun bouwmateriaal onder controle te krijgen. Dit deden ze door het heel voorzichtig op te warmen, wat koude chocolademelk toe te voegen, weer af te koelen en vervolgens in een 3D-printer te stoppen. Hierdoor konden ze in principe elke vorm van chocolademateriaal printen die ze wilden, terwijl ze er zeker van waren dat het basismateriaal altijd dezelfde eigenschappen had.

De eerste vorm van eetbaar materiaal waarmee de wetenschappers experimenteerden, was een S-vormige chocolade met veel bochten, zoals in de afbeeldingrechtsboven. Het doel was om te testen hoe dit materiaal zou breken en hoe dat breken in de mond zou worden ervaren. Het is niet verrassend dat de breekeigenschappen sterk afhankelijk waren van de richting van het ‘bijten’. Wanneer de chocolade van bovenaf werd samengedrukt, traden veel verschillende barsten achter elkaar op, maar wanneer in de richting loodrecht op de afbeelding werd geduwd, ontstond meestal slechts één enkele barst. Dit werd mechanisch getest, zoals op de linker foto, maar ook door een panel van 10 proefpersonen. Zowel de mechanische tests als het testpanel bevestigden bovendien dat het bijtgemak beter was in de richting die op de foto wordt getoond.

Eindige elementen

De methode die is gebruikt om het breukgedrag van de chocolade te optimaliseren, is ontwikkeld door onderzoekers Jian Zhang en Alejandro Aragón van de TU Delft. Zhang implementeerde de methodologie en leidde de analytische gevoeligheidsformulering af om de optimizer naar geoptimaliseerde chocoladeontwerpen te sturen. Aragón kwam op het idee om zogenaamde topologische afgeleiden te gebruiken als een middel om de energieafgiftesnelheden (de energie die nodig is om een ​​scheur te veroorzaken) te evalueren binnen een topologie-optimalisatiekader.

Aragón: "Dit raamwerk gebruikt, achter de schermen, verrijkte eindige-elemententechnologie die ik mijn hele carrière heb ontwikkeld. In een notendop, verrijkte eindige-elementenformuleringen maken nauwkeurige analyse mogelijk door de geometrie van het probleem los te koppelen van het eindige-elementennet (discretisatie)."

Hoe meer scheuren, hoe beter

De meeste mensen genieten van de ervaring van eten dat breekt in hun mond – hoe meer scheuren, hoe beter. Nadat ze hadden aangetoond dat zo’n ervaring kan worden ontworpen, probeerden de onderzoekers nu een aantal verschillende structuren, op zoek naar een structuur waarbij het aantal scheuren in het materiaal kan worden ‘geprogrammeerd’.

 

Het bleek dat spiraalvormige chocolademetamaterialen zoals die hierboven zijn weergegeven, behoorlijk interessante en afstembare eigenschappen hebben. Niet alleen bepaalt het aantal windingen direct het aantal scheuren wanneer het materiaal mechanisch wordt geperst; het testpanel kon ook duidelijk onderscheid maken tussen minder en meer barsten bij het eten van de chocolaatjes. Bovendien bleek uit geluidsopnames dat het geluid dat de chocolaatjes maken wanneer ze worden gebeten, het aantal scheuren weerspiegelt, wat bijdraagt ​​aan een plezierige eetervaring.

Wiskundig chocolademodel

De laatste vraag was natuurlijk: is het ontwerpen van een plezierige eetervaring een kwestie van vallen en opstaan, of kunnen er leuke eetbare materialen worden ontworpen en verfijnd voordat ze worden gemaakt? De onderzoekers ontdekten dat ze met een goed gekozen wiskundig model inderdaad bepaalde vormen van chocolaatjes kunnen optimaliseren met betrekking tot bijvoorbeeld hun weerstand tegen breken wanneer ze vanuit bepaalde richtingen worden gebeten. Enkele van de resulterende optimale vormen (voor verschillende bijtsterkten) zijn hieronder te zien.