ยาสีฟันคงรูปบนแปรงได้อย่างไร และทำไมพอเริ่มถูจึงไหลลื่นทันที

ทำไมยาสีฟันตั้งเป็นริ้วบนแปรง แต่พอถูแล้วกลับไหลลื่น

ลองบีบยาสีฟันลงบนแปรงแล้ววางทิ้งไว้สักครู่ เนื้อยาสีฟันยังนอนเป็นเส้น มีสันจากปากหลอด และไม่ไหลย้อยลงมารวมกันเหมือนน้ำเชื่อม ภาพธรรมดานี้ซ่อนเรื่องฟิสิกส์ที่ออกแบบมาอย่างตั้งใจ เพราะยาสีฟันต้องทำสองหน้าที่ซึ่งดูขัดกัน คืออยู่เฉยๆ แล้วคงรูป แต่เมื่อถูกบีบหรือถูต้องเคลื่อนตัวได้ง่าย

พฤติกรรมแบบนี้มักอธิบายด้วยแนวคิดของ พลาสติกแบบบิงแฮม หรือวัสดุที่มีแรงคราก หมายความว่าเนื้อสารจะยังไม่ไหลตราบใดที่แรงเฉือนยังต่ำกว่าค่าหนึ่ง ค่านั้นเรียกว่า แรงคราก เมื่อแรงที่กระทำสูงพอ โครงสร้างภายในจึงเริ่มเสียรูปและเคลื่อนผ่านกัน ยาสีฟันเลยถูกดันออกจากหลอดได้ แต่พอหยุดบีบ เนื้อที่ออกมาแล้วกลับตั้งทรงอยู่บนขนแปรง

ไม่ใช่ของแข็งจริง และไม่ได้กลายเป็นของเหลวแบบสวิตช์เปิดปิด

คำว่าแข็งกับเหลวในที่นี้เป็นคำอธิบายพฤติกรรม ไม่ได้แปลว่าโมเลกุลเปลี่ยนสถานะเหมือนน้ำแข็งละลาย ยาสีฟันยังเป็นเนื้อเพสต์ชนิดเดิมตลอด เพียงแต่เครือข่ายจิ๋วภายในช่วยพยุงรูปทรงเมื่อไม่มีแรงมากพอ และยอมให้ส่วนประกอบเลื่อนผ่านกันเมื่อถูกบีบหรือถู นักรีโอโลยีจึงเรียกมันว่า ของไหลไม่เป็นนิวตัน เพราะความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับการไหลไม่ตรงไปตรงมาเหมือนน้ำ

ในหลอดยาสีฟันมีทั้งน้ำ สารให้ความชุ่มชื้น เช่น กลีเซอรินหรือซอร์บิทอล ผงขัดทำความสะอาด สารยึดเกาะ สารลดแรงตึงผิว กลิ่นรส และสารออกฤทธิ์ ส่วนผสมเหล่านี้ไม่ได้ลอยแยกกันอย่างอิสระ สารเพิ่มความข้นและอนุภาคละเอียดช่วยสร้างโครงข่ายอ่อนๆ คล้ายโครงพยุงทั่วเนื้อเพสต์ โครงข่ายนี้ต้านแรงโน้มถ่วงได้พอสมควร จึงทำให้ริ้วยาสีฟันไม่แผ่ราบทันที

ตอนบีบหลอด แรงดันจากนิ้วส่งต่อไปยังเนื้อยาสีฟัน และผนังปากหลอดสร้างแรงเฉือนสูงกว่าตอนที่เนื้อเพสต์นอนนิ่ง พอผ่านจุดคราก โครงข่ายภายในเริ่มคลายและจัดเรียงตัวใหม่ เนื้อจึงไหลออกมาเป็นเส้นต่อเนื่อง ที่น่าสนใจคือยาสีฟันจำนวนมากไม่ได้มีแค่พฤติกรรมแบบบิงแฮมอย่างเดียว แต่ยังมีลักษณะ การลดความหนืดเมื่อถูกเฉือน คือยิ่งถูกเฉือนเร็ว ความหนืดปรากฏยิ่งลดลง และอาจมี ทิกโซโทรปี คือเมื่อถูกกวนหรือถูนานขึ้น โครงสร้างยิ่งแตกตัวชั่วคราว ก่อนจะค่อยๆ ฟื้นเมื่อหยุดแรง

เพราะเหตุนี้ การเรียกยาสีฟันว่าพลาสติกแบบบิงแฮมจึงเป็นแบบจำลองที่เข้าใจง่าย มากกว่าจะเป็นคำอธิบายครบทุกมิติ ยาสีฟันจริงแต่ละสูตรอาจเหมาะกับแบบจำลองอื่น เช่น เฮอร์เชล–บัล์กลีย์ ซึ่งรวมทั้งแรงครากและการลดความหนืดเมื่อแรงเฉือนเพิ่มขึ้น สูตรเจล สูตรสมุนไพร สูตรไวท์เทนนิง หรือสูตรเด็กจึงบีบง่าย คงรูป และกระจายตัวไม่เท่ากัน แม้ทุกหลอดจะดูเป็นเนื้อเพสต์คล้ายกันก็ตาม

ริ้วสวยบนแปรงไม่ใช่เรื่องตกแต่งอย่างเดียว

ผู้ผลิตต้องปรับสมดุลเนื้อสัมผัสอย่างละเอียด ถ้าแรงครากต่ำเกินไป ยาสีฟันจะไหลเลอะฝาหลอด ย้อยจากแปรง และแยกชั้นระหว่างเก็บ ถ้าสูงเกินไป ผู้ใช้ต้องบีบแรง เนื้อกระจายบนฟันยาก และอาจรู้สึกเป็นก้อน เป้าหมายจึงไม่ใช่ทำให้ข้นที่สุด แต่ต้องให้หลอดบีบได้สบาย เส้นยาสีฟันขาดตัวตรงจังหวะ คงรูปพอให้มองเห็นปริมาณ และแตกกระจายรวดเร็วเมื่อเริ่มแปรง

เมื่อขนแปรงเคลื่อนผ่านฟัน แรงเฉือนเกิดขึ้นซ้ำๆ ทั้งจากการกด การลาก และการสั่น เนื้อยาสีฟันจึงบางลงชั่วคราว แทรกไปตามซอกฟันและผสมกับน้ำลายได้ง่ายขึ้น ฟองที่เห็นไม่ใช่ตัวการหลักที่ทำให้ไหล แต่เกิดจากสารลดแรงตึงผิว อากาศ และการเคลื่อนไหวร่วมกัน ส่วนความรู้สึกลื่นมาจากเนื้อเพสต์ที่เสียโครงสร้างภายใต้แรงเฉือน รวมกับน้ำลายที่เพิ่มสัดส่วนของของเหลว

พอหยุดแปรง โครงสร้างบางส่วนอาจสร้างตัวกลับ แต่ยาสีฟันในปากถูกเจือจางและกระจายไปแล้ว จึงไม่กลับมาตั้งเป็นริ้วเหมือนตอนออกจากหลอด ขณะเดียวกันยาสีฟันที่ค้างตรงปากหลอดอาจแข็งขึ้นจากการสูญเสียน้ำ นั่นเป็นคนละเรื่องกับแรงคราก เพราะคราบแห้งเกิดจากองค์ประกอบเปลี่ยนจริง ไม่ใช่เพียงการตอบสนองต่อแรงเฉือน

คราวหน้าที่เห็นเส้นยาสีฟันตั้งสวยบนขนแปรง ลองนึกถึงเครือข่ายจิ๋วที่กำลังพยุงมันอยู่ ความสำเร็จของผลิตภัณฑ์ชิ้นเล็กๆ นี้อยู่ตรงการทำให้เนื้อเดียวกันดูแน่นเมื่อไม่แตะต้อง แต่ยอมไหลทันทีเมื่อมือเราเริ่มใช้งาน ฟิสิกส์จึงไม่ได้ซ่อนอยู่ในห้องทดลองเท่านั้น แต่อยู่ในหลอดที่เราหยิบทุกเช้าและก่อนนอนด้วย