如果你是男人，就一定會有刮鬍子的經驗。很奇怪的是，刮鬍刀片的材料是不鏽鋼，硬度明明就比鬍子還高，但刮了幾次之後卻會變鈍，讓我們得時常替換刀片。為什麼柔軟的鬍子會讓刀片變鈍，背後的物理機制是什麼？麻省理工學院（MIT）的材料科學與工程學系（Department of Materials Science and Engineering）對此展開研究，找出讓刀片變鈍的原因，並將論文發表在《Science》期刊上。
研究論文傳送門
研究發現：壓力會集中在裂紋，導致刀片變鈍
若用拿菜刀劈砍鐵棒，會變鈍是很好理解的，但根據 MIT 的數據，人類毛髮明明就比刀片還要柔軟 50 倍，卻會讓刀片變鈍，這是為什麼？為了找出解答，MIT 研究團隊拿自己的鬍子做實驗；刮鬍子的同時，他們透過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）拍攝刀鋒的照片，紀錄刀鋒變鈍的狀況。
研究團隊在刀鋒看到碎屑（chip），但這些碎屑不是均勻分布在刀鋒上，而是出現在某些特定的區域。此外，若將毛髮固定，讓刀鋒切的方向與毛髮方向垂直，碎屑就不會產生；若讓毛髮自由彎曲，碎屑就會產生，特別是剃刀方向與頭髮接近平行的時候。
為了找出碎屑產生的機制，研究團隊使用電腦模擬，模擬在不同切角、施力方向、刀片材質的狀況下，剃刀的磨損狀況。研究團隊發現，當剃刀切的方向與頭髮方向非垂直，剃刀的組成材料異質（heterogeneous），以及剃刀的異質結構切割到頭髮，就會導致碎屑的產生。碎屑產生後，刀片會變脆弱，裂紋就會增加，導致刀片變鈍。
研究團隊表示，這種機制為 stress intensification，若材料上有微小裂紋，施加在材料的壓力就會在這些區域放大；當小裂紋產生後，若材料屬於異質結構，亦即材料結構不規則，就會讓裂紋更容易產生碎屑，開啟刀片變鈍的惡性循環。
刀片切割毛髮所受到的應力變化。圖片來源：NIT News（Credit: Gianluca Roscioli）
降低結構的異質特性，能避免刀片變鈍
研究團隊認為，避免刀片變鈍，最基本的概念就是降低材料結構的異質特性，儘量使用同質性的材料生產刀具。目前研究團隊已申請關於刀片製程的臨時專利（provisional patent），想研發更耐用，更不容易產生碎屑的刀具。
這份論文不僅解答「為什麼柔軟物質會讓金屬刀片變鈍」的大哉問，提供產業生產切割機具的洞見，也能提供我們日常生活的一些參考，例如切菜儘量直著切，不要斜切；至於刮鬍子嘛……我們還是照平常的方式刮好了，因為我們不可能把每一根鬍子固定，讓刀片一直與鬍子保持垂直啊！
參考資料
（本文提供合作夥伴轉載；首圖來源：Wallpaper Flare CC Licensed。）
延伸閱讀
馬斯克 Starlink 衛星網路開測！為什麼看似不起眼的 60M 網速引起美國網友熱烈討論？
海水「曬太陽」30 分鐘就可以喝！澳研究團隊發明超高效「太陽能海水淡化」新技術
核廢料爭議不斷，為什麼地球人不直接把它裝進火箭「丟到太陽」？
