Жидкости, которые мы привыкли считать текучими и неспособными сохранять форму, при определённых условиях могут вести себя как хрупкие твёрдые материалы и буквально разрываться с характерным щелчком. К такому неожиданному выводу пришла группа американских физиков из Университета Дрекселя. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters (PRL).

Неожиданный эксперимент

Изначально учёные изучали поведение вязких жидкостей при растяжении. Они помещали образец между двумя пластинами и постепенно увеличивали расстояние между ними, фиксируя процесс на высокоскоростную камеру. В какой-то момент вместо плавного удлинения жидкость внезапно разрывалась с громким щелчком, как будто это был кусок сухого пластика или стекла.

Сначала исследователи подумали, что столкнулись с неисправностью оборудования. Однако серия повторных экспериментов с разными составами подтвердила: явление реально и воспроизводимо. Эффект наблюдался в углеводородных смесях, стирольных олигомерах и других вязких жидкостях.

Механизм «разрыва» жидкости

Авторы работы объясняют происходящее явлением кавитации — образованием и быстрым ростом микроскопических полостей (пузырьков) внутри жидкости. Когда напряжение растяжения достигает критического значения, эти полости резко расширяются, что приводит к разрушению сплошности вещества.

Скорость распространения разрыва при этом оказалась очень высокой — от 500 до 1500 метров в секунду. Это сопоставимо со скоростью звука в некоторых материалах и объясняет громкий щелчок, который слышали экспериментаторы.

Важность открытия

До сих пор считалось, что жидкости не способны на хрупкое разрушение — они должны течь и деформироваться. Новое исследование показывает, что при определённых условиях (высокая вязкость, быстрое растяжение, отсутствие возможности свободно перетекать) жидкость может вести себя как хрупкое твёрдое тело.

Учёные подчёркивают, что подобное поведение теоретически возможно не только для сверхвязких веществ, но и для более привычных жидкостей, включая воду и масла, если создать подходящие условия нагружения.

Практическое значение

Открытие имеет значение не только для фундаментальной физики, но и для целого ряда прикладных областей:

  • 3D-печать жидкими материалами;
  • переработка полимеров;
  • мягкая робототехника;
  • понимание процессов в биологических системах, где жидкости испытывают механические нагрузки.

Теперь перед исследователями стоит задача — детально изучить границы явления и определить, насколько широко оно распространено в природе и технике.

Вкратце

Американские физики из Университета Дрекселя обнаружили, что вязкие жидкости при быстром растяжении могут разрываться как твёрдые хрупкие тела, издавая громкий щелчок. Явление связано с кавитацией — быстрым образованием и ростом микроскопических полостей внутри жидкости. Скорость распространения разрыва достигает 500–1500 м/с. Открытие показывает, что при определённых условиях жидкости способны вести себя не так, как мы привыкли, и может повлиять на развитие технологий 3D-печати, переработки полимеров и мягкой робототехники. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.