Простые жидкости, оказывается, тоже могут трескаться, как стекло

Тамирис Лима, профессор-исследователь в области химической инженерии Дрексельского университета, изучает свойства густых вязких жидкостей, таких как мёд или патока, а в лаборатории чаще это полипропилен или сырая нефть. Она пользуется методом реологии растяжения: жидкость растягивают между металлическими пластинами, чтобы измерить силу, при которой она начинает течь. Несколько лет назад в ходе эксперимента в рамках проекта с нефтегазовой компанией ExxonMobil Лима услышала короткий резкий треск. «Я подумала, что это машина», рассказала она. Но звук издавала сама жидкость, которую тянул аппарат, тягучая чёрная углеводородная смесь (соединение водорода и углерода). Вместо того чтобы растягиваться, жидкость треснула.

Разрушение известно для некоторых упругих «сложных» жидкостей, которые при определённых условиях ведут себя как твёрдые тела. Но Лима работала с неупругой «простой» жидкостью. Даже почти без упругости смесь раскололась под нагрузкой. «Никто не ожидал, что такое возможно в простой жидкости, ведь вязкость обычно просто переупорядочивает молекулы, сказал Арнольд Матейссен, физик, изучающий жидкости, из Пенсильванского университета (в исследовании не участвовал)., Не ожидаешь, что она треснет. Но она трескается, и вот это по-настоящему удивительно».

Лима повторила растяжение много раз, чтобы убедиться, что треск, не случайность: материал ломался при каждом измерении. «Раздаётся громкий хлопок. Как будто взяли резинку, растянули, и она лопнула», описал Николас Альварес, профессор химической инженерии Дрексельского университета, чья лаборатория руководила исследованием. Съёмка на высокоскоростную камеру показала, что разрушение, классический хрупкий излом, как при падении стеклянной или фарфоровой посуды. Хрупкие изломы случаются с упругими твёрдыми телами: под нагрузкой они немного деформируются и, если напряжение не превышает предел прочности, возвращаются к исходной форме после снятия нагрузки. Но реальные твёрдые тела никогда не идеальны, в них почти всегда есть крошечный дефект, трещина размером в десятки нанометров. Когда напряжение превышает критическую точку, телу становится энергетически выгоднее наращивать эту трещину, чем упруго накапливать напряжение, и трещина начинает расти катастрофически быстро, разрушая тело.

У некоторых сложных жидкостей, вязкоупругих, тоже есть упругость. Например, расплавы полимеров (расплавленные пластики) состоят из длинных молекулярных цепочек, которые переплетаются между собой и увеличивают упругую составляющую материала. В статье 2016 года в журнале Physical Review Letters Альварес с коллегами показал, что сложные жидкости вроде расплава полистирола могут раскалываться так же, как твёрдые тела; тогда учёные считали упругость обязательным условием такого разрушения и предполагали, что упругость вообще связана с разрушением жидкостей. Но углеводородная смесь, с которой работала Лима, простая жидкость: она почти не накапливает упругую энергию и при растяжении сверх предела обычно не гнётся и не ломается, а течёт. Получается, старая теория о том, что заставляет жидкость трескаться, может быть неверна. «Если в задаче нет упругости, то как вообще думать о зарождении или росте трещины?», спросил Брато Чакрабарти, физик, занимающийся механикой жидкости в Международном центре теоретических наук в Бангалоре (Индия, в исследовании не участвовал).

Растрескивание углеводородной смеси заставило исследователей вернуться к работам Дэниела Джозефа, инженера-механика из Университета Миннесоты. В 1995 и 1998 годах Джозеф предположил, что любая жидкость, независимо от степени упругости, может треснуть при достаточно сильном разрывающем напряжении. Альварес допускает, что предел прочности жидкости связан не с упругостью, а с чем-то более фундаментальным, со структурой самой жидкости: по его словам, вероятная причина разрушения некоторых жидкостей как-то связана с энергией сцепления, которая удерживает молекулы вместе. У простых жидкостей есть свой способ снимать напряжение без разрушения, кавитация: между молекулами образуются пустоты (пузырьки). Например, когда лопасти пропеллера быстро вращаются в простой жидкости, с одной стороны лопасти жидкость может двигаться гораздо быстрее, чем с другой, давление там падает, и жидкость кавитирует. Инженеры стараются избегать этого: при схлопывании пузырьков возникают ударные волны, повреждающие пропеллеры и насосы. Ещё в 1990-х Джозеф предсказывал, что именно кавитация позволяет простым жидкостям трескаться. Альварес поясняет: целостность жидкости держится на сцеплении, межмолекулярных взаимодействиях, и если растащить молекулы в стороны, образуется пузырёк. Обычно вязкие жидкости остаются сплошными, просто меняя форму вокруг пузырьков, но если пузырьки образуются достаточно быстро и в достаточном количестве, они теоретически могут расколоть жидкость, как стеклянную пластину.

В Дрекселе учёные обнаружили, что после зарождения трещина в простой жидкости распространяется чрезвычайно быстро, именно потому, что жидкость не упруга. По словам Альвареза, если удаётся запустить зарождение трещины, то из-за отсутствия упругости в материале она может распространяться настолько быстро, насколько это вообще допускает физика. В более ранних работах по сложным жидкостям исследователи из Дрекселя обнаружили, что трещины в расплаве полистирола распространяются со скоростью около 0,07 метра в секунду. В новом исследовании Лима с коллегами показали, что в изученных простых жидкостях трещины распространяются гораздо быстрее, со скоростью примерно от 500 до 1500 метров в секунду. Альварес связывает это с тем, как материал рассеивает энергию: по одной из гипотез, в сложной жидкости энергию поглощают длинные молекулярные цепочки в момент разрыва, а в простой жидкости, по его словам, трещину, по сути, нечему замедлить. Это, судя по всему, влияет и на форму трещины: в сложных жидкостях она похожа на раструб трубы, а в простых, на трещину, бегущую по стеклу.

При всех различиях в механизме разрушения и сложные, и простые жидкости в опытах ломались при одном и том же критическом напряжении, около 2 мегапаскалей. Учёные меняли температуру углеводородной смеси, чтобы изменить её вязкость, и обнаружили, что не раскололся только самый маловязкий из испытанных образцов. Критическое напряжение, при котором жидкости трескаются, оказалось пропорционально произведению вязкости на скорость деформации (насколько быстро жидкость растягивают и как при этом меняется её диаметр). У аппарата, использованного в эксперименте, был предел скорости, хоть и высокий: 500 миллиметров в секунду. «Приборов, сравнимых с нашим, очень мало», сказала Лима. Она считает, что с более быстрой машиной можно было бы расколоть и менее вязкие жидкости, например, мёд или даже воду. В дальнейшем Лима планирует взять более прозрачную жидкость, чтобы заснять момент образования трещины, заморозить поверхность жидкости сразу после разрушения и изучить её с помощью высокоразрешающего микроскопа, сканирующего поверхность на нанометровом уровне. Альварес намерен изучить простые жидкости в контексте формования волокон, с приложениями в инженерии и медицине; разрушение жидкостей может быть важно и для струйной печати, защиты от травм мозга и мягкой робототехники. Но больше всего Альвареза интересует сам факт: что означает разрушение простой жидкости как таковое. «Это отличается от того, что в литературе считалось верным очень долгое время», сказал он.

Ключевые факты

Тамирис Лима из Дрексельского университета во время эксперимента с ExxonMobil услышала треск: вязкая углеводородная смесь при растяжении не потекла, а раскололась, как хрупкое тело.
Высокоскоростная камера подтвердила классический хрупкий излом, раньше его наблюдали лишь у «сложных» вязкоупругих жидкостей вроде расплава полистирола (работа Николаса Альвареса, 2016 год), а не у «простых» жидкостей без упругости.
Трещины в простых жидкостях распространяются со скоростью около 500, 1500 м/с, на порядки быстрее, чем в расплаве полистирола (около 0,07 м/с), поскольку упругость, которая обычно гасит энергию, здесь отсутствует.
И простые, и сложные жидкости в опытах ломались при одном и том же критическом напряжении, около 2 мегапаскалей; порог оказался пропорционален вязкости, умноженной на скорость деформации.
Учёные вспомнили гипотезу инженера Дэниела Джозефа (1990-е): любая жидкость может треснуть при достаточном напряжении; возможный механизм, кавитация и энергия сцепления молекул, а не упругость; среди потенциальных приложений, формование волокон, струйная печать, защита от травм мозга, мягкая робототехника.

Почему это важно

Открытие переворачивает устоявшееся в физике жидкостей допущение: считалось, что раскалываться, как твёрдое тело, способны только «сложные» вязкоупругие жидкости с упругостью, например, расплавы полимеров. Лима и Альварес показали, что обычная неупругая («простая») углеводородная жидкость тоже способна на классический хрупкий излом, причём при том же критическом напряжении, что и упругие жидкости. Это заставляет пересмотреть теорию о том, что вообще делает жидкость способной трескаться: похоже, дело не в упругости, а в чём-то более фундаментальном, например, в энергии сцепления молекул или в кавитации. Работа возвращает к жизни гипотезу инженера Дэниела Джозефа 1990-х годов и открывает новый фундаментальный вопрос в механике жидкостей.

Кому это важно

Прежде всего, физикам, изучающим механику жидкостей, и инженерам-химикам, работающим с вязкими средами под нагрузкой: нефтегазовой отрасли (исследование шло в партнёрстве с ExxonMobil и на углеводородной смеси), производителям пластиков и расплавов полимеров, разработчикам насосов и пропеллеров, где важна кавитация. Также это может заинтересовать инженеров струйной печати, специалистов по формованию волокон для медицины и техники и разработчиков мягкой робототехники и защитных материалов от травм мозга, все эти области авторы называют возможными точками применения.

Как это применить

Пока речь идёт о фундаментальном открытии, а не о готовой технологии. Ближайший практический шаг самих исследователей, построить или найти прибор, способный тянуть жидкость быстрее нынешнего предела в 500 миллиметров в секунду, чтобы проверить, трескаются ли так же менее вязкие жидкости вроде мёда или воды. Лима планирует использовать более прозрачную жидкость, снять момент образования трещины на камеру, заморозить поверхность сразу после разрушения и изучить её нанометровым микроскопом. В более отдалённой перспективе результаты могут повлиять на проектирование оборудования для нефтегазовой отрасли, кавитационно-стойких насосов и пропеллеров, процессов формования волокон, печатающих головок для струйной печати и материалов для мягкой робототехники и защиты от травм мозга.

Можно ли доверять

Исследование провела лаборатория химической инженерии Дрексельского университета (Николас Альварес и Тамирис Лима) в сотрудничестве с ExxonMobil, опираясь на собственную более раннюю рецензируемую работу той же группы 2016 года в журнале Physical Review Letters; судя по указанию источника иллюстрации в оригинальной статье (ссылка на «Phys. Rev. Lett. 136, 124002»), нынешнее исследование тоже опубликовано в этом рецензируемом журнале. Эффект многократно воспроизведён самими авторами (это не разовый случай) и задокументирован съёмкой на высокоскоростную камеру. Результат независимо комментируют физики, не участвовавшие в работе, Арнольд Матейссен (Пенсильванский университет) и Брато Чакрабарти (Международный центр теоретических наук, Бангалор), что повышает доверие к выводам. Материал опубликован Quanta Magazine, научным изданием, специализирующимся на освещении рецензируемых исследований.

Риски и подводные камни

Пока проверена только одна конкретная углеводородная смесь и лишь на одном приборе с ограничением по скорости растяжения, 500 миллиметров в секунду; трескаются ли так же вода, мёд и другие маловязкие «простые» жидкости, экспериментально не показано именно из-за этого ограничения. Предложенный механизм, связь предела прочности с энергией сцепления молекул и кавитацией вместо упругости, пока гипотеза, а не доказанная теория: сами авторы формулируют её как предположение, требующее дальнейшей проверки. Названные приложения (формование волокон, струйная печать, защита от травм мозга, мягкая робототехника), это направления, которые исследователи считают перспективными, а не продемонстрированные готовые решения.

«Никто не ожидал, что такое возможно в простой жидкости, ведь вязкость обычно просто переупорядочивает молекулы. Не ожидаешь, что она треснет. Но она трескается, и вот это по-настоящему удивительно.»

— Арнольд Матейссен, физик, изучающий жидкости, Пенсильванский университет