Επιστήμονες τέντωσαν ένα υγρό και έσπασε σαν στερεό
Μια απροσδόκητη ανακάλυψη αλλάζει την κατανόηση της δυναμικής των ρευστών.
Νέα έρευνα αποκαλύπτει ότι τα κοινά υγρά, όταν υποβάλλονται σε επαρκή τάση, μπορούν να υποστούν θραύση, συμπεριφερόμενα σαν στερεά υλικά. Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι το ιξώδες, ή η αντίσταση ενός υγρού στη ροή, παίζει πολύ μεγαλύτερο ρόλο στη μηχανική του συμπεριφορά από ό,τι πίστευαν οι επιστήμονες προηγουμένως. Ανοίγει επίσης νέους δρόμους για τον έλεγχο των υγρών σε εφαρμογές που κυμαίνονται από την υδραυλική και την 3D εκτύπωση, έως τη ροή του αίματος στον οργανισμό.
“Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι εάν τεντωθεί με αρκετή δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας, ένα απλό υγρό – ένα υγρό που ρέει – θα φτάσει σε αυτό που ονομάζουμε σημείο ‘κρίσιμης τάσης’, όπου θα σπάσει στην πραγματικότητα σαν στερεό. Και αυτό είναι πιθανό να ισχύει για όλα τα απλά υγρά, συμπεριλαμβανομένων κοινών παραδειγμάτων, όπως το νερό και το λάδι”, δήλωσε η Thamires Lima, PhD, βοηθός καθηγητής έρευνας στο Τμήμα Μηχανικών του Drexel, η οποία βοήθησε στην ηγεσία της έρευνας. “Αυτό αλλάζει θεμελιωδώς την κατανόησή μας για τη δυναμική των ρευστών.”
Μια Εκπληκτική Θραύση κατά τη Δοκιμή
Η ανακάλυψη ήρθε απροσδόκητα, ενώ η Lima και η ομάδα της μελετούσαν δύο απλά υγρά σε συνεργασία με την ExxonMobil Technology & Engineering Company. Κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής εκτατικής ρεολογίας – η οποία μετρά πόση δύναμη απαιτείται για να ρέει ένα υγρό – οι ερευνητές παρατήρησαν κάτι ασυνήθιστο. Αντί να τεντώνονται και να λεπταίνουν σαν μέλι, τα υγρά που έμοιαζαν με πίσσα έσπασαν ξαφνικά.
“Αυτό που παρατηρήσαμε ήταν τόσο απροσδόκητο που χρειάστηκε να επαναλάβουμε τα πειράματα μερικές φορές ακόμη για να βεβαιωθούμε ότι ήταν αληθινό”, δήλωσε ο Nicolas Alvarez, PhD, καθηγητής στο Τμήμα Μηχανικών, του οποίου το εργαστήριο ηγήθηκε την έρευνα. “Μόλις επιβεβαιώσαμε το φαινόμενο, η έρευνα έγινε ένα εντελώς διαφορετικό επιστημονικό εγχείρημα.”
Χρησιμοποιώντας μια κάμερα υψηλής ταχύτητας, η ομάδα κατέγραψε συμπεριφορά που παρατηρείται συνήθως σε στερεά υλικά. Όταν τεντώνονται, τα στερεά επιμηκύνονται μέχρι να φτάσουν σε ένα κρίσιμο σημείο τάσης, και στη συνέχεια σπάνε ξαφνικά σε μια διαδικασία γνωστή ως εύθραυστη θραύση. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτού του είδους η θραύση δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ προηγουμένως σε απλό υγρό.
“Ήταν ένα απίστευτα εκπληκτικό θέαμα”, είπε η Lima. “Η θραύση προκάλεσε έναν πολύ δυνατό θόρυβο που στην πραγματικότητα με τρόμαξε. Αρχικά νόμιζα ότι είχε χαλάσει το μηχάνημα, αλλά σύντομα συνειδητοποίησα ότι ο θόρυβος προερχόταν από το υγρό που τεντωνόταν.”
Ιξώδες και το Κρίσιμο Σημείο Θραύσης
Τα πρώτα υγρά που επέδειξαν αυτή τη συμπεριφορά ήταν μείγματα υδρογονανθράκων που έμοιαζαν με πίσσα, τα οποία έσπασαν σε μια κρίσιμη τάση 2 μεγαπασκάλ. Αυτή είναι περίπου η δύναμη που θα ένιωθες αν μια τσάντα ρούχων γεμάτη με 10 τούβλα πιαστεί στο νύχι του δακτύλου σου ενώ πέφτει.
Για να ερευνήσουν περαιτέρω, οι ερευνητές δοκίμασαν ένα άλλο απλό υγρό, το στυρένιο ολιγομερές, με το ίδιο ιξώδες. Έσπασε κάτω από τις ίδιες συνθήκες τέντωσης, δείχνοντας ότι το ιξώδες είναι βασικός παράγοντας σε αυτή τη συμπεριφορά θραύσης που μοιάζει με στερεό και υποδηλώνοντας ότι πολλά απλά υγρά μπορεί να μοιράζονται ένα παρόμοιο σημείο θραύσης.
Στη συνέχεια, η ομάδα προσάρμοσε τη θερμοκρασία για να αλλάξει το ιξώδες. Σε κάθε επίπεδο, βρήκαν έναν συγκεκριμένο ρυθμό τεντώματος που προκαλούσε θραύση, πάντα συνδεδεμένο με την ίδια κρίσιμη τάση των 2 μεγαπασκάλ. Σε χαμηλότερα ιξώδη, τα υγρά δεν μπορούσαν να σπάσουν επειδή ο εξοπλισμός δοκιμών δεν μπορούσε να τα τεντώσει αρκετά γρήγορα.
Προκλήσεις σε Μακροχρόνιες Παραδοχές
Μέχρι τώρα, η θραύση θεωρούνταν ιδιότητα της ελαστικότητας, που είναι η ικανότητα ενός υλικού να αποθηκεύει και να αντέχει την τάση. Ωστόσο, τα απλά υγρά συνήθως δεν αποθηκεύουν τάση με αυτόν τον τρόπο. Αντ’ αυτού, ρέουν όταν εφαρμόζεται δύναμη, αντί να κάμπτονται ή να σπάνε.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, η ελαστικότητα γίνεται σχετική μόνο όταν ένα υγρό ψύχεται κάτω από το “σημείο μετάβασης σε υαλώδη κατάσταση”, το σημείο όπου αρχίζει να συμπεριφέρεται περισσότερο σαν στερεό. Η παρατήρηση θραύσης σε υγρά που είναι ακόμα πλήρως στην υγρή τους κατάσταση δείχνει ότι η θραύση δεν περιορίζεται σε ελαστικά υλικά.
“Αν και τα ιξωδοελαστικά υγρά και τα πολυμερικά υγρά – πράγματα όπως το Oobleck ή το σπιτικό slime – έχουν επιδείξει συμπεριφορά θραύσης που μοιάζει με στερεό, τα απλά υγρά θεωρούνταν ανέκαθεν ότι εμφανίζουν συνεχή παραμόρφωση σε θερμοκρασίες πάνω από το σημείο μετάβασης σε υαλώδη κατάσταση και επομένως δεν θα έσπαζαν”, δήλωσε η Lima. “Το να δείξουμε ότι οι ιξώδεις επιδράσεις είναι επαρκείς για να προωθήσουν συμπεριφορά θραύσης που μοιάζει με στερεό ανοίγει έναν κόσμο νέων ερωτήσεων προς εξερεύνηση σε αυτόν τον τομέα της επιστημονικής έρευνας.”
Ένα Ευρύ και Απροσδόκητο Φαινόμενο
Οι ερευνητές συνέκριναν επίσης ένα απλό υγρό, το ολιγομερές στυρένιο, με ένα σχετικό πολυμερικό υγρό. Και τα δύο έσπασαν στο ίδιο κρίσιμο σημείο τάσης, υποδηλώνοντας ότι η ελαστικότητα δεν είναι υπεύθυνη για τη συμπεριφορά θραύσης στα απλά υγρά.
“Αυτό υποδηλώνει ότι πολλά άλλα ελαστικά υγρά μπορεί επίσης να σπάσουν σε ένα σχετικά παρόμοιο κρίσιμο σημείο τάσης”, δήλωσε η Lima. “Αυτό δείχνει ένα φαινόμενο που είναι σχετικά ανεξάρτητο από τη χημεία και πιθανώς γενικεύσιμο σε ένα ευρύ φάσμα υγρών.”
Τι Προκαλεί τη Θραύση των Υγρών
Η ομάδα σχεδιάζει να συνεχίσει να διερευνά γιατί συμβαίνει αυτό και πόσο διαδεδομένη μπορεί να είναι η επίδραση. Πρώιμες ενδείξεις υποδεικνύουν την εντροπική δημιουργία φυσαλίδων – μια διαδικασία όπου μικροσκοπικές φυσαλίδες ατμού σχηματίζονται και καταρρέουν ραγδαία, παράγοντας κρουστικά κύματα μέσα στο υγρό – ως πιθανή εξήγηση.
“Τώρα που αναφέραμε αυτή την απροσδόκητη συμπεριφορά, η εργασία για την πλήρη κατανόηση του γιατί συμβαίνει και πώς εκδηλώνεται η συμπεριφορά σε άλλα υγρά είναι ένα σημαντικό επόμενο βήμα”, είπε η Lima. “Θα είναι επίσης ενδιαφέρον να δούμε πώς αυτό το εύρημα μπορεί να εφαρμοστεί για να βοηθήσει την κλώση ινών και άλλες εφαρμογές που χρησιμοποιούν ιξώδη υγρά.”