Исследователи полагали, что именно эластичность позволяет сложным жидкостям раскалываться. Однако обнаружение трещин в неэластичной простой жидкости заставило их усомниться в этой теории.
При растяжении со скоростью 100 мм/с углеводородная смесь растягивается. На скорости 300 мм/с жидкость разрывается пополам.
Тамирес Лима, профессор-исследователь в области химической инженерии в Университете Дрекселя, изучает свойства густых, вязких жидкостей — таких, например, как мёд или патока, хотя в лаборатории чаще можно встретить полипропилен или сырую нефть. Используя экстенсиональную реологию (изучение деформации полимерных систем при вытяжении), Лима растягивает жидкости между металлическими пластинами, чтобы определить условия, при которых они начинают течь.
Несколько лет назад она проводила испытание в рамках проекта, осуществляемого совместно с нефтегазовой компанией Exxon Mobil, и в процессе испытаний услышала короткий, резкий треск. «Я подумала, что это машина», — сказала Лима. Но треск исходил от жидкости, которую растягивала машина: липкой чёрной смеси углеводородов. Вместо того чтобы растягиваться, жидкость сломалась.
Известно, что разрушения происходят в некоторых упругих сложных жидкостях, которые при определённых условиях могут вести себя как твёрдые тела. Но Лима работала с неупругой простой жидкостью. И даже при практически полном отсутствии упругости она разорвалась под воздействием нагрузки.
«Никто не ожидал, что такое возможно в столь простой жидкости, ведь вязкость обычно приводит лишь к перегруппировке молекул, — сказал Арнольд Матийссен, физик-гидродинамик из Пенсильванского университета. — Не ожидаешь, что жидкость расколется. Но это происходит, и я думаю, что именно это и является самым удивительным».
Хрупкое разрушение
Лима растягивала жидкость снова и снова, чтобы доказать, что неожиданный разрыв не был единичным случаем. «Каждый раз, когда она проводила измерения, материал разрывался, — сказал Николас Дж. Альварес, профессор химической инженерии Университета Дрекселя, чья лаборатория возглавляла исследование. — При этом раздаётся громкий хлопок. Всё происходит так, как будто вы взяли резинку, потянули её, растянули, и она лопнула».
Убедившись, что этот хлопок не был случайностью, Лима и Альварес использовали высокоскоростные камеры, чтобы более внимательно изучить это явление. Они поняли, что разрыв по сути представлял собой «хрупкое разрушение» — такое, какое можно увидеть на осколках стеклянной или фарфоровой посуды.
Хрупкие разрушения происходят в хрупких твёрдых телах, которые обладают упругостью. Если приложить некоторое напряжение к стеклу или фарфору, они деформируются совсем незначительно, и затем — если не довести их до предела прочности — при снятии напряжения они возвращаются в исходное состояние. Однако твёрдые тела никогда не бывают идеальными. В большинстве случаев в хрупком твёрдом теле присутствует крошечный дефект — трещина размером в десятки нанометров. Как только напряжение в твёрдом теле превышает критическую точку, с энергетической точки зрения для него становится выгоднее расширять трещину, чем упруго аккумулировать напряжение. В этот момент трещина катастрофически растёт, быстро разрушая твёрдое тело.
Некоторые сложные жидкости, называемые вязкоупругими, также обладают упругостью. Например, полимерные расплавы — расплавленные формы полимеров, входящих в состав пластмасс, — состоят из длинных цепей молекул, которые переплетаются друг с другом и увеличивают упругую составляющую материала.
В статье, опубликованной в 2016 году в журнале Physical Review Letters, Альварес и его коллеги показали, что сложные жидкости, такие как расплавленный полистирол, могут разрушаться так же, как это иногда происходит с твёрдыми телами. «Мы просто думали, что упругость — это нечто, что является обязательным условием для такого типа разрушения, характерного для твёрдых тел, верно?» — сказал Альварес. В результате они выдвинули гипотезу, что упругость связана и с разрушением жидкостей.
Однако углеводородная смесь, с которой работала Лима, представляла собой простую жидкость. Простые жидкости не накапливают много упругой энергии. И когда их сжимают или растягивают за пределы их прочности, они, как правило, не изгибаются и не ломаются — они просто текут.
Так что, возможно, старая теория о том, что вызывает разрушение жидкости, неверна. «Если в задаче отсутствует упругость, то как можно говорить о зарождении или росте трещины?» — сказал Брато Чакрабарти, физик, занимающийся механикой жидкостей в Международном центре теоретических наук в Бенгалуру, Индия.
Растрескивание углеводородной смеси заставило исследователей вернуться к работам Дэниела Д. Джозефа, инженера-механика из Университета Миннесоты. В 1995 и 1998 годах Джозеф выдвинул гипотезу, что любая жидкость, независимо от степени её упругости, может разрушиться под действием достаточного разрывного напряжения.
Альварес задаётся вопросом, не связана ли точка разрушения жидкости вместо упругости с чем-то более фундаментальным для структуры жидкости. «Возможно, просто возможно, что то, что приводит к разрушению [определённых] жидкостей… [каким-то образом] связано с этой когезионной энергией, которая удерживает молекулы вместе», — сказал он.
Лопнувший пузырь
Простые жидкости действительно способны снимать напряжение без разрушения: они образуют межмолекулярные пустоты (пузырьки) в процессе, называемом кавитацией.
Например, если лопасти винта быстро вращаются в простой жидкости, жидкость с одной стороны лопасти может перемещаться гораздо быстрее, чем с другой, что приводит к падению давления на одной стороне. Это падение давления может вызвать кавитацию жидкости. Инженеры стремятся избежать этого, поскольку при разрушении этих пузырьков возникают ударные волны, способные повредить винты и насосы.
В своих работах 90-х годов Джозеф предсказал, что кавитация может привести к разрушению простых жидкостей.
«Если подумать о том, что удерживает жидкость в целостном состоянии, то это когезия, или взаимодействия между молекулами», — сказал Альварес. Если раздвинуть эти молекулы, можно создать пузырь. Обычно вязкие жидкости сохраняют когезию при образовании пузырей, изменяя форму вокруг них. Но если достаточное количество пузырей образуется в быстрой последовательности, они теоретически могут расколоть жидкость, как стеклянную панель.
В университете Дрекселя исследователи обнаружили, что как только в простой жидкости зарождается трещина, она распространяется чрезвычайно быстро именно потому, что жидкость не обладает упругостью. «Если удастся инициировать зарождение трещины, то, поскольку материал не обладает упругостью, эта трещина может распространяться так быстро, как это допускает физика», — сказал Альварес.
В ходе предыдущих исследований сложных жидкостей учёные из Дрексельского университета обнаружили, что трещины в расплавленном полистироле распространяются со скоростью примерно 0,07 м/с. В новом исследовании Лима и её коллеги показали, что в изученных ими простых жидкостях трещины распространяются гораздо быстрее, достигая скоростей от примерно 500 до 1500 м/с.
«Это связано с тем, как материал рассеивает энергию», — сказал Альварес. Согласно одной из гипотез, в сложной жидкости энергия поглощается длинными цепями молекул при их разрыве. Но в простой жидкости «на самом деле нет ничего, что могло бы замедлить эту трещину», — отметил он.
Исследователи обнаружили, что это, по-видимому, влияет на форму трещины: в сложных жидкостях она напоминает раструб трубы, а в простых — трещину, проходящую по стеклу.
Как вызвать разрушение жидкости
Удивительно, но, несмотря на различия в механизмах разрушения, как сложные, так и простые жидкости, которые тестировали исследователи, имели тенденцию разрушаться при одном и том же критическом значении напряжения: 2 МПа. Исследователи варьировали температуру углеводородной смеси — простой жидкости — для изменения её вязкости и обнаружили, что только самая маловязкая из исследованных жидкостей не подвергалась разрушению. Команда заметила, что критический уровень напряжения, при котором жидкости разрушаются, пропорционален произведению их вязкости на скорость деформации (то есть на то, как быстро их растягивают и как изменяется диаметр жидкости).
У устройства был предел — пусть и довольно высокий — скорости перемещения: 500 мм/с. «Существует очень мало приборов, сопоставимых с нашим», — сказала Лима. Лима полагает, что, возможно, если бы у них было устройство, способное тянуть жидкости быстрее, они смогли бы раскалывать менее вязкие жидкости, такие как мёд или даже вода.
В будущем Лима хочет использовать более прозрачную жидкость, чтобы зафиксировать момент образования трещины. Ей также хотелось бы попробовать заморозить поверхность жидкости сразу после того, как она разрывается, и исследовать её с помощью микроскопа высокого разрешения, сканирующего поверхности в нанометровом масштабе.
Альварес заинтересован в изучении простых жидкостей в контексте превращения материалов в волокна — что может найти применение в инженерии и медицине. Разрушение жидкостей также может иметь значение для струйной печати, защиты от черепно-мозговых травм и мягкой робототехники.
Но больше всего Альвареса интересует, что вообще означает разрушение простой жидкости. «[Это] отличается от того, о чём мы очень долго думали, опираясь на литературу», — сказал он.