Неожиданное твердоподобное разрушение в простых жидкостях
В исследовании, которое может изменить наше базовое понимание механики жидкостей, ученые из Университета Дрекселя сообщили, что при определенных условиях можно заставить простую жидкость разрушиться, как твердый объект. Недавно опубликованное в журнале Physical Review Letters исследование показывает, как вязкие жидкости могут внезапно разрушиться, если их растянуть с достаточной силой. Характер разрушения указывает на то, что вязкость — сопротивление жидкости течению — может играть более важную роль в ее механических свойствах, чем считалось ранее. Это также открывает новые возможности для манипулирования жидкостями в самых разных областях, от гидравлики до 3D-принтеров и кровеносных сосудов.
Фото 1. Новое исследование Университета Дрекселя показывает, как простые жидкости, такие как показанная здесь углеводородная жидкость, могут разрушаться подобно твердым предметам при достаточно сильном растяжении. (Фото: Университет Дрекселя)
Неожиданное открытие произошло во время измерения свойств двух простых жидкостей. В процессе проведения теста на реологию растяжения — измерения силы, необходимой для того, чтобы жидкость начала течь, — смолоподобные жидкости неожиданно разделились с внезапным щелчком, а не с привычным для тех, кто когда-либо добавлял каплю меда в чашку чая, плавно уменьшаясь в объеме.
Запись эксперимента с помощью высокоскоростной камеры позволила наблюдать явление, обычно происходящее при растяжении твердого материала, например, куска металла. В определенный момент он начинает растягиваться, достигая критического напряжения, после которого внезапно ломается пополам. Это называется хрупким разрушением, что ранее никогда не наблюдалось в простой жидкости.
Оказалось, что смолистые смеси углеводородов раскалывались при критическом напряжении в 2 мегапаскаля. Чтобы понять это явление, учёные повторили тест с другой простой жидкостью — олигомером стирола, имеющим ту же вязкость, что и смеси углеводородов. Удивительно, но он разрушился при той же скорости растяжения, что позволяет предположить, что вязкость играет ключевую роль в твердоподобном поведении жидкостей при разрушении и что все простые жидкости могут иметь одинаковую точку разрушения.
Фото 2. Исследование, проведенное в Университете Дрекселя, показывает, что если простую жидкость — жидкость, которая принимает форму своего сосуда, — растянуть с достаточной силой на единицу площади, она разрушится, как твердый предмет. (Источник: Университет Дрекселя)
Чтобы изменить вязкость жидкостей, эксперимент повторялся при различных температурах. При каждой вязкости существовала уникальная скорость растяжения, вызывающая разрушение — всегда пропорциональная точке "критического напряжения" в 2 мегапаскаля. В конечном итоге, каждый образец достигал достаточно низкой вязкости, при которой испытательное оборудование, ограниченное скоростью растяжения, не могло его разрушить.
В простых жидкостях понятие упругости в значительной степени неактуально до тех пор, пока жидкость не охладится ниже температуры стеклования, при которой она начинает приобретать твердоподобное состояние. Таким образом, разрушение простой жидкости — еще в жидком состоянии — явно означает, что явление разрушения не ограничивается упругими материалами.
