До недавнего времени считалось, что расколоть сложную жидкость можно только благодаря её эластичности. Однако обнаружение трещин в обычных, неупругих средах заставило ученых пересмотреть устоявшуюся теорию.
При растяжении со скоростью 100 мм/с углеводородная смесь лишь удлиняется. Но стоит увеличить темп до 300 мм/с, как жидкость моментально разрывается надвое.
Тамирес Лима, исследователь в области химической инженерии Университета Дрекселя, изучает поведение густых и вязких сред, таких как патока, полипропилен или сырая нефть. Используя методы экстенсиональной реологии, Лима подвергает жидкости контролируемому растяжению между металлическими пластинами, анализируя порог их текучести.
Несколько лет назад в ходе совместного проекта с Exxon Mobil Лима столкнулась с неожиданным явлением: во время теста раздался резкий сухой треск. Изначально исследовательница списала звук на неисправность оборудования, но выяснилось, что источником был сам образец — липкая углеводородная смесь. Под воздействием нагрузки она не растянулась, а треснула, подобно хрупкому материалу.
Ранее подобное поведение наблюдали только у вязкоупругих жидкостей, которые при определенных условиях обретают свойства твердых тел. Однако в данном случае речь шла о простой, лишенной эластичности жидкости, что поставило экспертов в тупик.
«Никто не ожидал, что столь простая субстанция способна на подобное, ведь вязкое течение обычно предполагает лишь мягкую перестройку молекул, — поясняет Арнольд Матийссен, гидродинамик из Пенсильванского университета. — Сам факт того, что жидкость может дать трещину, звучит парадоксально».
Хрупкое разрушение
Чтобы подтвердить, что инцидент не был случайностью, Лима проводила серию экспериментов. «Каждый раз результат повторялся: материал раскалывался с громким хлопком, словно лопалась растянутая резинка», — отмечает Николас Дж. Альварес, руководитель лаборатории.
Съемка высокоскоростными камерами подтвердила догадку: разрушение носило характер хрупкого излома, типичного для стекла или керамики. В твердых телах такие разрушения возникают из-за микроскопических дефектов: когда напряжение превышает критический порог, трещина начинает расти лавинообразно, так как это энергетически выгоднее, чем дальнейшее упругое растяжение материала.
В статье 2016 года группа Альвареса уже описывала нечто подобное для полимерных расплавов. Тогда ученые предположили, что ключевым фактором является именно упругость. Однако углеводородная смесь не обладает способностью накапливать упругую энергию — теоретически она должна просто течь.
«Если в системе нет упругости, то что именно служит драйвером зарождения и роста трещины?» — задается вопросом Брато Чакрабарти, специалист по механике жидкостей из Индии.
Ответ, возможно, кроется в работах Дэниела Д. Джозефа из Университета Миннесоты, который еще в конце 90-х предположил, что любую жидкость можно разрушить, если приложить достаточное разрывное напряжение. Альварес склоняется к тому, что природа этого явления лежит в фундаментальных силах когезии, удерживающих молекулы вместе.
Лопнувший пузырь
Обычно простые жидкости снимают избыточное напряжение за счет кавитации — образования газовых полостей. Однако если эти пустоты возникают каскадно и с высокой скоростью, они могут действовать как очаги разрушения, разделяя структуру жидкости, подобно тому как трещина проходит сквозь стеклянную панель.
Исследователи из Дрекселя обнаружили, что в отсутствие эластичности, которая могла бы «погасить» энергию, трещина в простой жидкости распространяется с колоссальной скоростью — от 500 до 1500 м/с, тогда как в полимерах этот показатель едва достигает 0,07 м/с. Простой жидкости попросту нечем замедлить фронт разрушения.
Как спровоцировать «разлом»
Интересно, что критический порог напряжения для обеих категорий жидкостей оказался практически идентичным — около 2 МПа. Лима установила, что вероятность разрушения зависит от вязкости: только самые текучие образцы сохраняли целостность. Вероятно, при использовании более мощного оборудования, способного развивать сверхвысокие скорости деформации, можно будет «сломать» даже мед или воду.
В планах команды — визуализация момента зарождения трещины в прозрачных средах и микроскопический анализ поверхности разрыва. Эти данные могут произвести революцию в таких областях, как струйная печать, аддитивное производство волокон, создание защитных систем для нейрохирургии и развитие мягкой робототехники.
Для Альвареса же главный итог работы заключается в пересмотре фундаментальных догм: «Полученные нами результаты полностью меняют привычный взгляд на физику жидкостей, прописанный в классических учебниках».
