为什么彩条牙膏的颜色不会混合？
中科院物理所2019-06-18 09:34
本文转载自公众号“把科学带回家”（ID：steamforkids）
每天刷牙的时候，你有没有想过彩条牙膏的彩条怎么来的？为什么不同颜色的彩条在牙膏管子里不会混在一起？
其实，如今的彩条牙膏在管子里的样子和挤出来的样子差不多。你可以切开一个看看。切开的牙膏是这样的：
如果把彩条牙膏冻住，然后剪开包装，就是这样的：
那么彩条牙膏是怎么制作的呢？
在工厂里的时候，机器把不同颜色的彩条分别装到一个中间有隔板的管子里，不同颜色的彩条被隔板隔开。接着就像做冰淇淋那样，机器把所有彩条一起打到牙膏管子里。
彩条牙膏的制作
那么问题就来了，不同颜色的彩条在牙膏里怎么不会混合在一起，尤其是在被挤了很多次以后？
这要分成静止状态和挤牙膏2个情况讨论。
静止的牙膏里的彩条不变色，主要是因为2个因素——牙膏的流体物理性质以及彩条所用的色素。
牙膏是一种宾汉流体（bingham plastic），属于非牛顿流体。除了牙膏，血液、酸奶、蛋黄酱都是宾汉流体。
保龄球在神奇的非牛顿流体上弹弹弹。非牛顿流体看着像水，但却比水“结实”。
宾汉流体的一个超强属性就是，在不受力，比如没有被挤压的情况下，它可以像固体一样基本不流动。而受到了一定程度的挤压后，宾汉流体才能开始流动。
因此当牙膏没有被你挤的时候，彩条能保持比较稠密的状态，比较接近不能流动的固体，可以在牙膏管里互不干扰。
另外，在一般情况下，不同颜色的染料会发生渗色（bleeding）的现象。彩条牙膏的生产厂家为了防止彩条互相渗色，常用聚乙烯包裹染料，使它们变得稳定。
这就是静止的牙膏彩条不会混合的两大原因。
红色和蓝色是常用的彩条颜色
那么在挤牙膏的时候，为什么不同颜色的彩条不会混合呢？
刚才说到牙膏是一种宾汉流体。当你在挤牙膏的时候，彩条就会流动起来，变得更像液体而不是固体，这样它们才能从牙膏管子里流出。
当牙膏流动的时候，它就必须要符合一个可怕的流体力学规律——雷诺数（Reynolds number）。
雷诺数的计算公式，开不开心，惊不惊吓？
计算雷诺数的这个公式看看就好了，反正我们以后不考。它的意思是，一种流体的粘度（viscosity）越大，它的雷诺数就越小；反之粘度越小，雷诺数就越大。
粘度低（左）和粘度高（右）的液体
那么雷诺数高或者低又有什么影响呢？
雷诺数决定了液体是怎样流动的。
具体来说，如果雷诺数小于2100，那么液体将这样流动：
层流
这种流动叫做层流（laminar flow），层流的液体平行运动，不会搅和在一起。
如果雷诺数大于4000，那么液体将这样流动：
湍流
这种流动叫做湍流（turbulent flow），看图就知道，湍流的液体互相混合。
上面2个是层流，下面2个是湍流
对于牙膏来说，它的粘度非常大，因此它的流动只能是层流。挤牙膏的时候，位于边缘的彩条和中间的白条一起平行流出，所以挤出来的牙膏彩条也不会混合在一起。
当然了，牙膏和粘度较小的水混合后，雷诺数蹭蹭上涨，所以彩条的颜色就会混在一起，水乳交融了。
最后，因为不同颜色的彩条有相同的流速（它们的流变学性质相同），因此可以保证挤到最后也不会出现某种彩条被首先挤完的情况。
不过，当彩条牙膏刚刚诞生的时候，可不是现在这个样子。
历史上最早的彩条牙膏管子设计，和现在的彩条牙膏很不一样
在最早的彩条牙膏管子里，彩条被分别牙膏管里的不同位置。这个设计是在1955年出现的，它的发明人是个叫做 Leonard Lawrence Marraffino 的美国人。一开始 Marraffino 想设计的是一种带斑点的牙膏，没想到意外设计出了彩条牙膏。
在这种彩条牙膏里，两种不同颜色的彩条并不是被组合好再打到牙膏管子里的。
实际上，红色的彩条被放在靠近牙膏管子开口的地方。白色的彩条比较多，它被放在在靠后的位置。牙膏口子向内延伸了一段，这一段上面有几个狭长的缝，红色彩条就是从这里流出来，然后和白色彩条汇合的。
那么怎么保证挤到最后还有2种颜色的彩条呢？
这是因为在这种牙膏里，红色彩条和白色彩条的粘度不同，红色彩条的粘度比较小，所以它更加顺滑，流得比较快。白色彩条的粘度更大，流得更慢。
这两种不同粘度的彩条搭配以后，就能保证直到最后一滴，挤出来的牙膏都有两种颜色。
不过，这种设计的销量并不好，后来逐渐被更加简单的设计，也就是我们现在使用的彩条牙膏替代了。
图片来源：Groundwater Dictionary, wikipedia, ScienceAlert,nP-dog's blog, Business Insider, giphy, imgur
参考资料：
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
来源：把科学带回家
编辑：重光
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