В ходе неожиданного открытия, способного изменить механику жидкостей, исследователи из Университета Дрекселя показали, что при определенных условиях простая жидкость может вести себя как твердое тело и разрушаться. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, что вязкие жидкости могут резко разорваться при достаточно сильном растяжении.
Это открытие предполагает, что вязкость, или сопротивление жидкости течению, играет гораздо большую роль в ее механических свойствах, чем считали ученые ранее. Оно также открывает новые возможности для управления жидкостями в самых разных областях применения, от гидравлики и 3D-печати до кровообращения в организме.
«Наши результаты показывают, что если простую жидкость — текучную жидкость — растянуть с достаточной силой на единицу площади, она достигнет так называемой точки «критического напряжения», когда она фактически расколется, как твердое тело. И это, вероятно, справедливо для всех простых жидкостей, включая такие распространенные примеры, как вода и масло», — сказал Тамирес Лима, доктор философии, доцент-исследователь в инженерном колледже Дрексельского университета, который руководил исследованием. «Это коренным образом меняет наше понимание динамики жидкостей».
Неожиданный щелчок во время тестирования
Открытие произошло неожиданно, когда Лима и ее команда изучали две простые жидкости в сотрудничестве с компанией ExxonMobil Technology & Engineering Company. Во время теста на реологию растяжения — измерения силы, необходимой для того, чтобы жидкость начала течь, — исследователи заметили нечто необычное. Вместо того чтобы растягиваться и разжижаться, как мед, смолоподобные жидкости внезапно разорвались.
«Наблюдаемое явление было настолько неожиданным, что нам пришлось повторить эксперименты еще несколько раз, чтобы убедиться в его реальности», — сказал Николас Альварес, доктор философии, профессор инженерного факультета, чья лаборатория руководила исследованием. «Как только мы подтвердили это явление, исследование превратилось в совершенно другое научное начинание».
Используя высокоскоростную камеру, команда зафиксировала поведение, типичное для твердых материалов. При растяжении твердые тела удлиняются до достижения критической точки напряжения, а затем внезапно разрушаются в процессе, известном как хрупкое разрушение. По словам исследователей, этот тип разрушения никогда ранее не наблюдался в простой жидкости.
«Это было невероятно удивительное зрелище, — сказал Лима. — Разлом вызвал очень громкий треск, который меня действительно напугал. Сначала я подумал, что сломался станок, но вскоре понял, что звук исходит от растягивающей жидкости».
Вязкость и критическая точка разрыва
Первыми жидкостями, проявившими такое поведение, были смолистые углеводородные смеси, которые разрушались при критическом напряжении в 2 мегапаскаля — примерно той силе, которую вы могли бы почувствовать, если бы мешок для белья, наполненный 10 кирпичами, зацепился за ноготь при падении.
Для дальнейшего исследования ученые протестировали другую простую жидкость, олигомер стирола, с той же вязкостью. Он разрушался при тех же условиях растяжения, что указывает на то, что вязкость является ключевым фактором в таком твердоподобном поведении при разрушении, и предполагает, что многие простые жидкости могут иметь схожую точку разрушения.
Затем команда изменяла температуру для регулирования вязкости. На каждом уровне они определяли определённую скорость растяжения, которая вызывала разрушение, всегда связанную с одним и тем же критическим напряжением в 2 мегапаскаля. При более низких значениях вязкости жидкости не могли разрушиться, поскольку испытательное оборудование не могло растягивать их достаточно быстро.
Опровержение устоявшихся предположений
До сих пор разрушение считалось свойством упругости, то есть способностью материала накапливать и выдерживать напряжение. Однако простые жидкости обычно не накапливают напряжение таким образом. Вместо этого они текут при приложении силы, а не изгибаются или ломаются.
В большинстве случаев упругость становится актуальной только тогда, когда жидкость охлаждается ниже точки стеклования, то есть точки, где она начинает вести себя скорее как твердое тело. Наблюдение за разрушением жидкостей, находящихся в полностью жидком состоянии, показывает, что разрушение не ограничивается упругими материалами.
«Хотя вязкоупругие и полимерные жидкости — такие как неньютоновская жидкость или самодельная слизь — продемонстрировали поведение, подобное разрушению твердых тел, всегда считалось, что простые жидкости проявляют непрерывную деформацию при температурах выше температуры стеклования и, следовательно, не разрушаются», — сказал Лима. «Показывая, что вязкостных эффектов достаточно для того, чтобы вызвать поведение, подобное разрушению твердых тел, мы открываем множество новых вопросов для исследования в этой области науки».
Широкое и неожиданное явление
Исследователи также сравнили простую жидкость, олигомер стирола, с родственной полимерной жидкостью. Обе жидкости разрушились при одной и той же критической точке напряжения, что позволяет предположить, что упругость не является причиной разрушения простых жидкостей.
«Это позволяет предположить, что многие другие эластичные жидкости также могут разрушаться при относительно схожей критической точке напряжения», — сказал Лима. «Это указывает на явление, которое относительно не зависит от химических процессов и, возможно, применимо к широкому спектру жидкостей».
Что вызывает растрескивание жидкостей?
Команда планирует продолжить исследование причин этого явления и масштабов его распространения. Предварительные данные указывают на кавитацию — процесс, при котором образуются и быстро схлопываются крошечные пузырьки пара, генерируя ударные волны внутри жидкости, — как на возможное объяснение.
«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», — сказал Лима. «Также будет интересно посмотреть, как это открытие может быть применено для улучшения процесса прядения волокон и других применений, использующих вязкие жидкости».
Источник: www.sciencedaily.com
