简单液体意外出现类固体断裂现象
1. 引言
德雷塞尔大学（Drexel University）化学工程研究教授塔米雷斯·利马（Thamires Lima）研究粘稠液体的特性——比如蜂蜜或糖浆，不过在实验室里更常见的是聚丙烯或原油。她使用一种称为拉伸流变学（extensional rheology）的方法，在金属板之间拉伸液体，以找到使其流动的力。几年前，她作为与石油天然气公司埃克森美孚（Exxon Mobil）合作项目的一部分进行测试时，听到了一声短促而尖锐的爆裂声。“我以为是机器发出的声音，”利马说。但爆裂声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，而是断裂了。已知某些弹性复杂液体（elastic complex fluids）会发生断裂，这些液体在特定条件下可以像固体一样行为。但利马处理的是非弹性简单液体（nonelastic simple fluid）。即使几乎没有弹性，它在应力下也会断裂。“没人预料到这在简单液体中可能发生，因为粘度通常只会重新排列分子，”宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）的流体物理学家阿诺德·马泰森（Arnold Mathijssen）说。“你不会预料到它会开裂。但它确实开裂了，所以我认为这真的很令人惊讶。”
2. 脆性断裂
利马反复拉伸液体，以证明这种意外的开裂并非偶然。“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尼古拉斯·J·阿尔瓦雷斯（Nicolas J. Alvarez）说。“它会发出响亮的爆裂声。我的意思是，就像你拿一根橡皮筋，拉它、拉伸它，然后它啪地断了。”确信这种爆裂不是偶然后，利马和阿尔瓦雷斯使用高速摄像机更仔细地观察这一现象。他们意识到这种断裂本质上是一种“脆性断裂”（brittle fracture），就像你摔碎玻璃或瓷器盘子时看到的那种。脆性断裂发生在具有弹性的脆性固体上。对玻璃或瓷器施加应力，它会变形一点点，然后——如果你没有把它推到断裂点——一旦应力移除，它会弹回正常状态。然而，固体从来都不是完美的。在大多数情况下，脆性固体会有微小的缺陷——纳米尺度的裂纹。一旦固体被应力超过临界点，从能量上讲，固体更倾向于扩展裂纹，而不是弹性储存应力。此时，裂纹会灾难性地扩展，迅速将固体断裂。一些称为粘弹性液体（viscoelastic liquids）的复杂液体也具有弹性。例如，聚合物熔体（polymer melts）——塑料中聚合物的熔融版本——由长分子链组成，这些分子链相互缠结，增加了材料的弹性成分。在2016年《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一篇论文中，阿尔瓦雷斯和同事表明，像熔融聚苯乙烯这样的复杂液体可以像固体有时那样断裂。“我们只是认为弹性是这种固体类型断裂的先决条件，对吧？”阿尔瓦雷斯说。因此，他们推测弹性也与液体的断裂有关。但利马处理的烃混合物是一种简单液体。简单液体不储存太多弹性能量。当它们被推或拉超过极限时，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。“如果问题中没有弹性，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（International Center for Theoretical Sciences）研究流体力学的物理学家布拉托·查克拉巴蒂（Brato Chakrabarti）说。烃混合物的开裂让研究人员回顾了明尼苏达大学（University of Minnesota）机械工程师丹尼尔·D·约瑟夫（Daniel D. Joseph）的论文。在1995年和1998年，约瑟夫提出，任何液体，无论其弹性如何，在足够的撕裂应力下都可能断裂。阿尔瓦雷斯想知道液体的断裂点是否与弹性等性质无关，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]流体断裂的东西……[是]某种与将分子结合在一起的结合能（cohesive energy）有关，”他说。
3. 气泡破裂
简单液体确实有一种缓解应力的方式，无需断裂：它们通过一种称为空化（cavitation）的过程形成分子间空隙（气泡）。例如，如果螺旋桨叶片在简单液体中快速旋转，叶片一侧的液体可能比另一侧晃动得快得多，导致该侧压力下降。这种下降可能导致液体空化。工程师们努力避免这种情况，因为一旦这些气泡坍塌，会产生冲击波，损坏螺旋桨和泵。在90年代的论文中，约瑟夫预测空化会使简单液体断裂。“如果你考虑是什么将液体结合在一起，那就是内聚力（cohesiveness），或分子间的相互作用，”阿尔瓦雷斯说。如果你把这些分子拉开，你可以产生一个气泡。通常，粘性液体在气泡形成时通过改变形状保持内聚。但如果足够多的气泡快速连续形成，理论上它们可以像玻璃窗一样使液体开裂。在德雷塞尔大学，研究人员发现，一旦简单液体内部萌生裂纹，它会极快地扩展，正是因为液体没有弹性。“如果你能让裂纹开始萌生，由于材料中没有弹性，裂纹会以物理允许的最快速度扩展，”阿尔瓦雷斯说。在之前关于复杂液体的工作中，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0.07米/秒的速度扩展。在他们的新研究中，利马和同事表明，裂纹在他们研究的简单液体中扩展得更快，达到大约500到1500米/秒的速度。“这与材料耗散能量的方式有关，”阿尔瓦雷斯说。根据一种假设，在复杂液体中，能量被断裂的长分子链吸收。但在简单液体中，“真的没有什么能减慢裂纹的扩展，”他说。研究人员发现，这似乎影响了裂纹的形状，在复杂液体中裂纹看起来像喇叭口，在简单液体中则像穿过玻璃的裂纹。
4. 如何使液体开裂
令人惊讶的是，尽管开裂方式不同，研究人员测试的复杂液体和简单液体往往在相同的临界应力值下断裂：2兆帕斯卡（megapascals）。研究人员改变烃混合物（一种简单液体）的温度以改变其粘度，发现只有他们测试的最不粘稠的液体未能断裂。团队观察到，液体断裂的临界应力水平与其粘度乘以应变率（它们被拉伸的速度以及液体直径的变化方式）成正比。机器有一个极限——尽管很高——即它移动的速度：500毫米/秒。“很少有仪器能与我们的相比，”利马说。利马认为，如果他们有一台能更快拉伸液体的机器，他们可能使像蜂蜜甚至水这样粘度较低的液体断裂。未来，利马想使用更透明的液体，以便捕捉裂纹形成的过程。她还希望尝试在液体断裂瞬间冻结其表面，并使用高分辨率显微镜在纳米尺度扫描表面进行探测。阿尔瓦雷斯热衷于探索简单液体在将材料纺成纤维方面的应用——这在工程和医学中有应用。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影响。但阿尔瓦雷斯最兴奋的是首先了解简单液体断裂意味着什么。“[这]与我们长期以来在文献中思考的不同，”他说。
🔗 原文链接：https://www.quantamagazine.org/we-know-simple-fluids-can-flow-turns-out-some-can-fracture-20260710/
简单液体意外出现类固体断裂现象
1. 引言
德雷塞尔大学（Drexel University）化学工程研究教授塔米雷斯·利马（Thamires Lima）研究粘稠液体的特性——比如蜂蜜或糖浆，不过在实验室里更常见的是聚丙烯或原油。她使用一种称为拉伸流变学（extensional rheology）的方法，在金属板之间拉伸液体，以找到使其流动的力。几年前，她作为与石油天然气公司埃克森美孚（Exxon Mobil）合作项目的一部分进行测试时，听到了一声短促而尖锐的爆裂声。“我以为是机器发出的声音，”利马说。但爆裂声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，而是断裂了。已知某些弹性复杂液体（elastic complex fluids）会发生断裂，这些液体在特定条件下可以像固体一样行为。但利马处理的是非弹性简单液体（nonelastic simple fluid）。即使几乎没有弹性，它在应力下也会断裂。“没人预料到这在简单液体中可能发生，因为粘度通常只会重新排列分子，”宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）的流体物理学家阿诺德·马泰森（Arnold Mathijssen）说。“你不会预料到它会开裂。但它确实开裂了，所以我认为这真的很令人惊讶。”
2. 脆性断裂
利马反复拉伸液体，以证明这种意外的开裂并非偶然。“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尼古拉斯·J·阿尔瓦雷斯（Nicolas J. Alvarez）说。“它会发出响亮的爆裂声。我的意思是，就像你拿一根橡皮筋，拉它、拉伸它，然后它啪地断了。”确信这种爆裂不是偶然后，利马和阿尔瓦雷斯使用高速摄像机更仔细地观察这一现象。他们意识到这种断裂本质上是一种“脆性断裂”（brittle fracture），就像你摔碎玻璃或瓷器盘子时看到的那种。脆性断裂发生在具有弹性的脆性固体上。对玻璃或瓷器施加应力，它会变形一点点，然后——如果你没有把它推到断裂点——一旦应力移除，它会弹回正常状态。然而，固体从来都不是完美的。在大多数情况下，脆性固体会有微小的缺陷——纳米尺度的裂纹。一旦固体被应力超过临界点，从能量上讲，固体更倾向于扩展裂纹，而不是弹性储存应力。此时，裂纹会灾难性地扩展，迅速将固体断裂。一些称为粘弹性液体（viscoelastic liquids）的复杂液体也具有弹性。例如，聚合物熔体（polymer melts）——塑料中聚合物的熔融版本——由长分子链组成，这些分子链相互缠结，增加了材料的弹性成分。在2016年《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一篇论文中，阿尔瓦雷斯和同事表明，像熔融聚苯乙烯这样的复杂液体可以像固体有时那样断裂。“我们只是认为弹性是这种固体类型断裂的先决条件，对吧？”阿尔瓦雷斯说。因此，他们推测弹性也与液体的断裂有关。但利马处理的烃混合物是一种简单液体。简单液体不储存太多弹性能量。当它们被推或拉超过极限时，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。“如果问题中没有弹性，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（International Center for Theoretical Sciences）研究流体力学的物理学家布拉托·查克拉巴蒂（Brato Chakrabarti）说。烃混合物的开裂让研究人员回顾了明尼苏达大学（University of Minnesota）机械工程师丹尼尔·D·约瑟夫（Daniel D. Joseph）的论文。在1995年和1998年，约瑟夫提出，任何液体，无论其弹性如何，在足够的撕裂应力下都可能断裂。阿尔瓦雷斯想知道液体的断裂点是否与弹性等性质无关，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]流体断裂的东西……[是]某种与将分子结合在一起的结合能（cohesive energy）有关，”他说。
3. 气泡破裂
简单液体确实有一种缓解应力的方式，无需断裂：它们通过一种称为空化（cavitation）的过程形成分子间空隙（气泡）。例如，如果螺旋桨叶片在简单液体中快速旋转，叶片一侧的液体可能比另一侧晃动得快得多，导致该侧压力下降。这种下降可能导致液体空化。工程师们努力避免这种情况，因为一旦这些气泡坍塌，会产生冲击波，损坏螺旋桨和泵。在90年代的论文中，约瑟夫预测空化会使简单液体断裂。“如果你考虑是什么将液体结合在一起，那就是内聚力（cohesiveness），或分子间的相互作用，”阿尔瓦雷斯说。如果你把这些分子拉开，你可以产生一个气泡。通常，粘性液体在气泡形成时通过改变形状保持内聚。但如果足够多的气泡快速连续形成，理论上它们可以像玻璃窗一样使液体开裂。在德雷塞尔大学，研究人员发现，一旦简单液体内部萌生裂纹，它会极快地扩展，正是因为液体没有弹性。“如果你能让裂纹开始萌生，由于材料中没有弹性，裂纹会以物理允许的最快速度扩展，”阿尔瓦雷斯说。在之前关于复杂液体的工作中，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0.07米/秒的速度扩展。在他们的新研究中，利马和同事表明，裂纹在他们研究的简单液体中扩展得更快，达到大约500到1500米/秒的速度。“这与材料耗散能量的方式有关，”阿尔瓦雷斯说。根据一种假设，在复杂液体中，能量被断裂的长分子链吸收。但在简单液体中，“真的没有什么能减慢裂纹的扩展，”他说。研究人员发现，这似乎影响了裂纹的形状，在复杂液体中裂纹看起来像喇叭口，在简单液体中则像穿过玻璃的裂纹。
4. 如何使液体开裂
令人惊讶的是，尽管开裂方式不同，研究人员测试的复杂液体和简单液体往往在相同的临界应力值下断裂：2兆帕斯卡（megapascals）。研究人员改变烃混合物（一种简单液体）的温度以改变其粘度，发现只有他们测试的最不粘稠的液体未能断裂。团队观察到，液体断裂的临界应力水平与其粘度乘以应变率（它们被拉伸的速度以及液体直径的变化方式）成正比。机器有一个极限——尽管很高——即它移动的速度：500毫米/秒。“很少有仪器能与我们的相比，”利马说。利马认为，如果他们有一台能更快拉伸液体的机器，他们可能使像蜂蜜甚至水这样粘度较低的液体断裂。未来，利马想使用更透明的液体，以便捕捉裂纹形成的过程。她还希望尝试在液体断裂瞬间冻结其表面，并使用高分辨率显微镜在纳米尺度扫描表面进行探测。阿尔瓦雷斯热衷于探索简单液体在将材料纺成纤维方面的应用——这在工程和医学中有应用。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影响。但阿尔瓦雷斯最兴奋的是首先了解简单液体断裂意味着什么。“[这]与我们长期以来在文献中思考的不同，”他说。
🔗 原文链接：https://www.quantamagazine.org/we-know-simple-fluids-can-flow-turns-out-some-can-fracture-20260710/