简单液体中意想不到的类固体断裂

# 我们知道简单流体能流动。但事实证明，有些简单流体能断裂。| Quanta Magazine 来源：https://www.quantamagazine.org/we-know-simple-fluids-can-flow-turns-out-some-can-fracture-20260710/ 德雷塞尔大学化学工程研究教授Thamires Lima（https://drexel.edu/engineering/about/faculty-staff/L/lima-thamires/）研究的是粘稠液体的性质——比如蜂蜜或糖浆，不过在实验室里你更可能见到聚丙烯或原油。她使用一种叫做"拉伸流变学"的方法，通过金属板拉伸液体，以找出使其流动所需的力。 几年前，她正在与石油天然气公司埃克森美孚合作的一个项目中进行测试，突然听到一声短促而尖锐的爆裂声。"我以为是机器的问题，"Lima说。但声音来自机器正在拉伸的液体：一种粘稠的黑色氢碳混合物。液体没有拉伸，反而断裂了。 已知某些弹性复杂流体在特定条件下会像固体一样发生断裂。但Lima研究的是非弹性简单流体。这种流体几乎没有弹性，却在应力作用下断裂开来。 "没人预料到这种情况会在这种简单流体中发生，因为通常粘度只会让分子重新排列，"宾夕法尼亚大学流体物理学家Arnold Mathijssen（https://live-sas-physics.pantheon.sas.upenn.edu/people/arnold-mathijssen）说。"你不会指望它会裂开。但它确实裂了，所以我认为这非常令人惊讶。" ## **脆性断裂** Lima反复拉伸这种液体，以证明这次意外断裂并非偶然。"每次她测量时，材料都会断裂，"领导该研究的德雷塞尔大学化学工程教授Nicolas J. Alvarez（https://drexel.edu/news/experts/alvarez-nicolas）说。"它会发出很大的爆裂声。就像你拿起一根橡皮筋拉伸然后它突然绷断一样。" 确信这种断裂不是偶然后，Lima和Alvarez使用高速摄像机更仔细地观察了这一现象。他们意识到这种断裂本质上是一种"脆性断裂"（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/t2vy-32wr），就像你摔碎一个玻璃或陶瓷盘子时看到的那种。 脆性断裂发生在具有弹性的脆性固体中。对玻璃或陶瓷施加应力，它们会变形一点点，然后——如果你没有将其推过断裂点——一旦移除应力，它们就会弹回原状。然而，固体并不完美。在大多数情况下，脆性固体都会有微小的缺陷——一个纳米尺度的裂纹。一旦固体受到的应力超过临界点，从能量角度看，固体更倾向于扩展裂纹，而不是以弹性形式储存应力。此时，裂纹会灾难性地扩展，迅速将固体撕裂。 一些复杂流体，即粘弹性液体，也具有弹性。例如，聚合物熔体——塑料中聚合物的熔融形态——由长分子链组成，这些分子链相互缠绕，增加了材料的弹性成分。 在2016年《物理评论快报》的一篇论文（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.087801）中，Alvarez及其同事表明，像熔融聚苯乙烯这样的复杂流体可以像固体有时那样断裂。"我们一直认为弹性是发生这种固体式断裂的先决条件，对吧？"Alvarez说。因此，他们推断弹性也与液体的断裂有关。 但Lima研究的烃类混合物是一种简单流体。简单流体不会储存太多弹性能量。当它们被推拉超过极限时，通常不会弯曲或断裂——它们会流动。 所以，也许关于什么导致液体断裂的旧理论是错误的。"如果问题中不存在弹性，那么你怎么考虑裂纹的萌生或扩展呢？"印度班加罗尔国际理论科学中心从事流体力学研究的物理学家Brato Chakrabarti（https://www.icts.res.in/people/brato-chakrabarti）说。 烃类混合物的断裂让研究人员重新审视了明尼苏达大学机械工程师Daniel D. Joseph的论文。在1995年和1998年，Joseph提出，任何液体，无论其弹性如何，只要受到足够的撕裂应力，都有可能断裂（https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.51.R1649）。 Alvarez想知道，液体的断裂点是否与弹性这类性质无关，而是与液体结构更基本的东西有关。"也许，只是也许，导致[某些]流体断裂的原因……[是]与某种将分子结合在一起的结合能有关，"他说。 ## **气泡破裂** 简单流体确实有一种无需断裂就能释放应力的方式：它们会形成分子间空隙（气泡），这一过程称为空化。 例如，如果螺旋桨叶片在简单流体中快速旋转，叶片一侧的流体流动速度可能远快于另一侧，导致该侧压力下降。这种压力下降会导致液体空化。工程师们努力避免这种情况，因为一旦这些气泡破裂，会产生冲击波，损坏螺旋桨和泵。 在90年代的论文中，Joseph预测空化将使简单流体发生断裂。 "如果思考是什么将流体结合在一起，那就是内聚力，或者说分子间的相互作用，"Alvarez说。如果你将这些分子拉开，就会产生一个气泡。通常，粘性液体在气泡形成时通过改变自身形状来保持内聚力。但如果足够多的气泡快速连续形成，理论上它们可以像裂开一块玻璃板一样使液体断裂。 在德雷塞尔大学，研究人员发现，一旦简单流体中产生裂纹，它会以极快的速度扩展，正是因为流体没有弹性。"如果你能让裂纹的成核事件开始，由于材料中没有弹性，该裂纹会以物理允许的最快速度扩展，"Alvarez说。 在之前对复杂流体的研究中，德雷塞尔大学的研究人员发现，熔融聚苯乙烯中的裂纹以大约每秒0.07米的速度扩展。而在他们的新研究中，Lima及其同事表明，在他们研究的简单液体中，裂纹扩展速度要快得多，达到了大约每秒500到1500米。 "这与材料耗散能量的方式有关，"Alvarez说。根据一种假设，在复杂流体中，能量被断裂的长分子链吸收。但在简单流体中，"实际上没有任何东西能减慢裂纹的扩展速度，"他说。 这似乎也影响了裂纹的形状。研究人员发现，在复杂流体中，裂纹看起来像喇叭口；而在简单流体中，裂纹看起来像玻璃中的裂纹。 ## **如何让液体断裂** 令人惊讶的是，尽管断裂方式不同，但研究人员测试的复杂流体和简单流体往往在相同的临界应力指标——2兆帕下发生断裂。研究人员改变了烃类混合物（一种简单流体）的温度以改变其粘度，发现只有测试中粘度最低的液体没有断裂。研究小组观察到，液体发生断裂的临界应力水平与其粘度乘以应变率（液体被拉伸或拉开的速度以及液体直径的变化）成正比。 这台机器有一个极限——尽管很高——即它移动的最大速度：每秒500毫米。"很少有类似仪器能与我们相比，"Lima说。Lima认为，如果他们有一台能更快拉伸液体的机器，他们就有可能使蜂蜜甚至水等粘度更低的液体发生断裂。 未来，Lima希望使用更透明的液体，以便捕捉裂纹形成的过程。她还希望在液体样断裂时立即冷冻其表面，并使用纳米级扫描表面的高分辨率显微镜对其进行探测。 Alvarez则热衷于探索简单流体在将材料纺成纤维方面的应用——这在工程和医学领域有潜在用途。流体中的断裂也可能对喷墨打印、脑损伤防护和软体机器人产生重要影响。 但Alvarez最兴奋的是，首先弄清楚简单流体断裂意味着什么。"这与我们在文献中长期以来所想的不同，"他说。