Ученые обнаружили, что жидкости могут ломаться, как твердые тела

Фото из открытых источников

Как раз тогда, когда кажется, что удалось разобраться в том, как устроена Вселенная, физика снова удивляет. Исследователи обнаружили, что простые жидкости могут иметь точки разрушения, за пределами которых они внезапно раскалываются, как твердые тела. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Это открытие имеет важное значение для механики жидкостей. Если жидкости могут не только растягиваться и течь, но и ломаться, это имеет значение для всего, от технологий 3D-печати до биологических систем внутри нашего организма.

Неожиданное открытие было сделано исследователями из Университета Дрекселя в США и компании ExxonMobil, которые проводили эксперименты по изучению реакции вязких жидкостей на сильные воздействия. Первоначально они предположили, что сломалось лабораторное оборудование.

«Из-за трещины раздался очень громкий треск, который меня действительно напугал», — говорит инженер-химик Тамирес Лима из Университета Дрекселя.

Команда исследователей утверждает, что повторила эксперименты несколько раз, чтобы убедиться в достоверности результатов.

«То, что мы увидели, было совершенно неожиданным», — говорит Николас Альварес, инженер-химик из Университета Дрекселя. «После подтверждения этого явления исследование превратилось в совершенно иное научное начинание».

Эксперимент заключался в том, что жидкости помещали между двумя металлическими пластинами, за которыми наблюдала высокоскоростная камера, и к которым прикладывались различные силы. Первый щелчок произошел, когда жидкость растягивали с силой, сравнимой с силой, с которой мешок с кирпичами подвешивали на участке размером с ноготь.

Это произошло в смолоподобной смеси углеводородов, и та же самая точка разрыва была впоследствии обнаружена в другой жидкости — олигомере стирола. Эта жидкость также была густой и смолоподобной, и исследователи считают, что вязкость (текучесть жидкости) играет важную роль.

Напряжения накапливаются по-разному в более густой, вязкой жидкости по сравнению с более текучей, менее вязкой. На основании этих экспериментов было установлено, что более густые жидкости могут трескаться даже при более медленном растяжении, но требуемая сила, по-видимому, одинакова независимо от вязкости.

Хотя было известно, что жидкости могут трескаться при достаточном охлаждении или перемешивании для достижения необходимых свойств, это новое открытие. Исследователи считают, что это, вероятно, применимо к большему количеству жидкостей, помимо тех, которые были протестированы.

«Наши результаты показывают, что если простую жидкость — текучую жидкость — растянуть с достаточной силой на единицу площади, она достигнет того, что мы называем точкой «критического напряжения», после чего она фактически расколется, как твердое тело», — говорит Лима. «И это, вероятно, справедливо для всех простых жидкостей, включая такие распространенные примеры, как вода и масло».

Одной из следующих областей исследования станет изучение механизмов, объясняющих происходящее. Команда обнаружила, что жидкие трещины образуются очень быстро после своего появления, со скоростью 500–1500 метров в секунду.

Скорость разрушения соответствует кавитации — явлению, которое теоретически обсуждается уже несколько десятилетий. Гипотеза заключается в том, что достаточное напряжение в жидкости приводит к образованию внутри неё крошечного вакуумного пузырька, который затем способствует разрыву жидкости.

Как показали эти эксперименты, процесс происходит настолько быстро, что получить качественные изображения будет непросто. Теперь, когда есть убедительные доказательства этого явления, у ученых появилось больше материала для работы.

Далее необходимо исследовать, как подобные трещины могут возникать в других жидкостях и вне строго определенных лабораторных условий. Исследователи упомянули две реальные области применения, где эти результаты будут полезны.

По мере совершенствования научных методов и исследовательских приборов жидкости продолжают раскрывать свои скрытые свойства и внутренние физические принципы, и, вероятно, нам еще многое предстоит открыть.

«Теперь, когда мы сообщили об этом неожиданном поведении, важным следующим шагом станет полное понимание причин его возникновения и того, как это поведение проявляется в других жидкостях», — говорит Лима. «Также будет интересно посмотреть, как это открытие может быть применено для улучшения процесса прядения волокон и других применений, использующих вязкие жидкости».