據不完全統計，義大利面目前一共有三百多種，他們的製作原料基本一致，但形狀、大小、長短各有不同。每一種意面都有其獨特的名稱，並對應著不同的烹飪手法，形狀會影響醬料的吸收，因而意面食譜也是五花八門。
具有各種三維（3D）形狀的意面以其獨特的質地，口感和風味而聞名，但在儲運過程中對食品包裝也有更高的要求，它們比扁平形狀的麵點要佔用更多的空間，且容易受到碰撞的影響。塑膠的質量輕、相對密度低，運輸銷售方便，化學穩定性好且便於加工一直是過去幾十年最常用的食品包裝資料，但其帶來的污染問題也十分嚴峻。為了減輕塑膠包裝帶來的污染，研究人員以意面為切入點，設計了一種簡單的變形基質，可以讓原本扁平的意面一邊煮一邊形變為預設的三維形狀，從而减少運輸和儲存過程中所需的包裝空間，為减少碳足迹提出了新的解決方案。美國賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基梅隆大學、浙江大學組成的國際研究團隊通過在柔軟基板上設計參數化的凹槽以實現對扁平資料的可控溶脹變形，做出的意面在烹飪時自發“內卷”，研究成果以Morphing pasta and beyond為題，發表在頂級期刊《Science Advances》上。
【變形機制】
選擇PDMS作為模型物質來研究帶凹槽的物體是如何變形的。將樣品浸入非極性溶劑250 s，由於溶脹，樣條會向上彎曲，接著在空氣中蒸發溶劑後，又會向下彎曲，有凹槽的PDMS表現出可逆的雙向變形行為。基於聚合物凝膠模型的模擬可以準確預測變形現象，與實驗結果非常吻合，這說明中心位置和周邊區域不均勻的擴散會誘導物體發生快速形變。帶凹槽的條狀義大利麵團也基於相同的變形機制，因而使用相似的擴散模型可以準確預測形變結果。凹槽的尺寸、位置、深度以及排列等在麵食的變形行為中起著至關重要的作用。
【凹槽的幾何特徵】
那麼凹槽的幾何特徵與變形程度之間是什麼關係呢？通過在毫米和微米範圍內改變意面及PDMS的凹槽參數，如溝槽寬度，深度，間隙和基底厚度等，可以觀察到樣品的可控變形。
條帶的最大彎曲曲率隨著凹槽寬度，深度，間隙和基底厚度的减小而新增。但是，若相鄰凹槽之間的間隙過小，則會引起凹槽碰撞，阻礙結構的進一步彎曲，這在模擬模型中也得到了預測。而對於麵團來說，凹槽碰撞除了會影響最大彎曲角度，還可以用於鎖定意面形狀，在烹飪過程中澱粉顆粒中滲出的支鏈澱粉能够起到天然膠水的作用，可以使碰撞的凹槽粘合。與PDMS相比，烹飪後的麵團由於麵筋變性和澱粉糊化，形變是不可逆的。此外，對凹槽結構進行微調會顯著影響彎曲角度。在類比中將凹槽壁的傾斜角從長方體形調整為截錐體形可以最大化彎曲角度，因為截錐狀的凹槽可减少槽壁的碰撞，而狹窄的凹槽（如寬度為0.5毫米時），則會阻礙樣品的進一步彎曲。
【溶脹理論分析和形狀設計】
圖.溶脹過程中螺旋形變的理論分析和實驗驗證
在基板一側設計多個平行凹槽，在溶脹後可以得到螺旋狀樣品，使用PDMS模型分析並驗證了這種螺旋形變的產生。平行凹槽與基板的角度β是影響螺旋結構的關鍵參數，螺旋圈數n，螺旋節距p和螺旋角γ與角度β、長度L以及曲率（κb）的關係如下所示：
β為90°時，樣條只是在平面內捲曲，而角度降為80°時，樣條溶脹後呈現螺旋上升的形變。
此外，環形平面基板上的徑向凹槽能够誘發樣條捲曲成截圓錐體，如下圖所示。
而影響形變結果的重要參數是有效凹槽間隙g，也就是相鄰凹槽之間的距離。為了量化凹槽間隙對變形的影響，在其他凹槽參數固定的條件下，對比PDMS基板上凹槽間隙為1.5mm和6.5mm的兩個樣品，發現彎曲曲率（κb）與凹槽的週期（g + w）成反比：
圖.溶脹過程中截錐體形變的理論分析。
而在實驗中，形變結果與預測略有偏差，邊緣的高度總是大於中心的高度，因為側面能够與溶劑更好地接觸，從而新增了溶脹率。通過這些發現，可以設計出不同形狀的義大利面，方法僅是在面片上製造出多個凹槽，方便且快捷，非常適用於流水線生產。
【花式意面線上教學】
圖.花式意面的製備過程
將112克粗麵粉和43克水倒入混合器（SM-50，Cuisinart）中，混合15到20分鐘得到麵團，存儲在拉鍊袋中，以保持麵團的水分。使用輥式壓片機（Atlas 150，Marcato）將麵團壓成150毫米寬，厚度不等的面片，大多數實驗樣品的厚度為2毫米。然後將麵團切成合適的尺寸和形狀。接著使用一側具有凹槽的定制模具在面片上衝壓。烹飪前，將帶凹槽的面片在空氣中放置20分鐘，保證一致的實驗條件。將帶凹槽的麵條放入沸水中，麵團在7到12分鐘內即可達到最大彎曲曲率。使用這種變形機制可以大大减少包裝浪費，通過運輸帶凹槽的扁平化面片，能够顯著降低包裝袋中的空氣，從而减少包裝和運輸過程中的碳足迹。相較於螺旋意面來說，使用扁平狀帶凹槽的意面能够節省近60%的包裝空間。
【結論】
通過設計平行和徑向的凹槽圖案，可以使扁平樣條在溶脹後變形為螺旋形或截錐體，這種設計原則在PDMS和意面麵團上得到了驗證。利用這種變形機制能够大大减少包裝浪費，在運輸過程中節省空間從而减少塑胶袋的使用並降低運輸成本，有利於減輕污染。此外，這種基於扁平食品或其他柔軟物體的簡單設計工藝可應用於與製造業相關的多個領域，有望降低機器操作的複雜性，提高可持續性和工作效率。當然，由於天然食材的諸多不確定性，模擬模擬還需要進一步優化，以保證其能更為準確地預測變形。
文章來源：
ScienceAdvances 05 May 2021:Vol. 7，no. 19，eabf4098
DOI: 10.1126/sciadv.abf4098
全文連結：
https://advances.sciencemag.org/content/7/19/eabf4098
原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號
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