科學新發現：液體在極端應力下可像固體一樣斷裂

新研究表明液體存在斷裂點，在應力作用下會斷裂而非如科學家長期認為的那樣流動。

德雷克塞爾大學的研究人員發現，液體在特定條件下似乎也能像固體一樣斷裂。這一發現可能改變我們對流體力學的認知，研究表明粘性流體在受到足夠大的拉伸力時會突然斷裂。

與固體在拉伸后最終會斷裂不同，液體從未被認為存在斷裂點。然而這項新研究似乎對這一認知提出了挑戰。

"我們的發現表明，如果用足夠大的單位面積力拉伸，一種簡單液體——即具有流動性的液體——會達到我們所說的'臨界應力點'，此時它會像固體一樣真正發生斷裂，"協助領導該研究的德雷克塞爾大學工程學院助理研究教授塔米雷斯·利馬博士表示。

有趣的是，研究團隊還發現液體"斷裂"時會產生類似固體斷裂時的突然聲響。不用說，這也完全出乎意料。

"我們觀察到的現象實在太出乎意料，以至于我們需要重復多次實驗來確認其真實性，"領導該實驗室研究的德雷克塞爾大學工程學院教授尼古拉斯·阿爾瓦雷斯博士解釋道。

"一旦確認了這一現象，這項研究就變成了一個完全不同的科學探索方向，"他補充道。

液體終究會斷裂

"這真是令人難以置信的發現，"利馬說。"斷裂時發出的巨大爆裂聲甚至嚇了我一跳。起初我以為是機器壞了，但很快就意識到聲音來自被拉伸的液體。"

這項研究的關鍵在于，液體只有在被高速拉伸而無法從應力處"流走"時才會發生這種斷裂。與固體類似，這為應力積累到足以形成突然斷裂提供了足夠時間。

通過實驗，研究團隊發現液體通常在約2兆帕的張力下發生斷裂。當然，具體數值取決于液體的粘度。

粘度越高，似乎越容易斷裂。"這很可能適用于所有簡單液體，包括水和油等常見例子……這從根本上改變了我們對流體動力學的理解，"她補充道。

"盡管粘彈性和聚合物液體——比如歐不裂或自制粘液——已表現出類似固體的斷裂行為，但簡單液體一直被認為在其玻璃化轉變溫度以上會持續變形，因此不會斷裂，"利馬表示。

至于這對實驗室外的現實世界意味著什么，它可能為各個行業開辟一些有趣的研究方向。"證明粘性效應足以促進類似固體的斷裂行為，為這一科學探究領域開啟了一個充滿新問題的世界，"她說。

未來有趣的研究方向

例如，使用液體聚合物的3D打印技術，可能從對液體斷裂極限的更好理解中受益。而將液體拉伸成纖維的纖維制造工藝，顯然也能從這些見解中獲益。

在醫學領域，可以研究血液等液體是否會在特定條件下斷裂并尋找避免方法。液壓系統則是另一個有趣的研究方向。

"這表明許多其他彈性液體也可能在相對相似的臨界應力點發生斷裂，"利馬補充道。"這指向一種相對獨立于化學性質、可能廣泛適用于各類液體的現象，"她解釋道。

另一個有趣的研究方向可能是船舶或潛艇螺旋槳、水泵及部分聲納系統中的空化現象。其中微小氣泡形成后劇烈潰滅，會損壞金屬、產生沖擊波并發出噪音。

隨著對相關物理機制的更深入理解，未來或許有可能限制甚至消除空化問題。

"既然我們已經報告了這種未預期的行為，接下來重要的工作就是充分理解其發生原因以及該行為在其他液體中的表現，"利馬說。"觀察這一發現如何應用于纖維紡絲及其他使用粘性液體的領域也將十分有趣，"她補充道。

該研究論文已發表于《物理評論快報》期刊。

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