简单流体也会像固体一样断裂
德雷塞尔大学化学工程研究教授塔米雷斯·利马（Thamires Lima）致力于研究高黏度液体的特性——这类液体类似蜂蜜或糖浆，但实验室里更常见的是聚丙烯或原油。她采用拉伸流变学（extensional rheology）方法，将液体置于金属板之间拉伸，以此测定液体流动所需的力。
几年前，她在与埃克森美孚（Exxon Mobil）油气公司合作的项目中进行测试时，突然听到一声短促尖锐的脆响。“我一开始以为是机器坏了，”利马说。但声音其实来自机器正在拉伸的流体：一种由氢和碳构成的黏稠黑色混合物。它没有被拉长，反而直接断裂了。
已知某些弹性复合流体在特定条件下会表现出固体特性，进而发生断裂。但利马研究的是非弹性简单流体，即便弹性几乎为零，它仍在应力作用下发生了断裂。
“没人想到这种简单流体也会出现这种情况，因为黏度通常只会让分子重新排列，”宾夕法尼亚大学流体物理学家阿诺德·马蒂森（Arnold Mathijssen）说，“你不会料到它会开裂，但它确实裂了，这才是真正令人惊讶的地方。”
脆性断裂
利马反复拉伸这种液体，证明这次意外断裂并非偶然。“每次测量，材料都会断裂，”主导这项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，“断裂时会发出响亮的啪声，就像橡皮筋被拉到极限后突然崩断一样。”
确认断裂并非偶然后，利马和阿尔瓦雷斯用高速摄像机近距离观察这一现象。他们发现，这种断裂本质上是“脆性断裂”，与玻璃或瓷盘掉落时的断裂类型一致。
脆性断裂发生在具有弹性的脆性固体中。给玻璃或瓷器施加应力，它会产生极其微小的形变；若未超过断裂极限，应力消失后便会恢复原状。但固体不可能完美无缺，多数脆性固体都存在纳米级的微小缺陷——比如几十纳米宽的裂纹。当应力超过临界点，固体扩展裂纹所需的能量会小于弹性储存的应力，此时裂纹会迅速扩散，导致固体彻底断裂。
部分复合流体被称为黏弹性液体，同样具有弹性。例如，聚合物熔体（塑料中聚合物的熔融状态）由长链分子构成，分子间相互缠绕，提升了材料的弹性。
2016年，阿尔瓦雷斯及其同事在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表论文指出，熔融聚苯乙烯这类复合流体也能像固体一样发生断裂。“我们曾以为，弹性是这类类固体断裂的必要前提，”阿尔瓦雷斯说。因此他们推测，弹性与液体断裂也存在关联。
但利马研究的烃类混合物是简单流体，几乎不储存弹性能量。当受力超过极限时，它们通常不会弯曲或断裂，而是发生流动。
如此一来，关于液体断裂成因的传统理论可能并不正确。“如果完全不存在弹性，又该如何解释裂纹的产生与扩展？”印度班加罗尔国际理论科学中心的流体力学物理学家布拉托·查克拉巴蒂（Brato Chakrabarti）提出疑问。
这次烃类混合物的断裂现象，让研究人员重新关注明尼苏达大学机械工程师丹尼尔·D·约瑟夫（Daniel D. Joseph）的论文。约瑟夫在1995年和1998年提出，任何液体无论弹性如何，只要受到足够的撕裂应力，都可能发生断裂。
阿尔瓦雷斯猜测，液体的断裂点或许与弹性无关，而是和液体结构中更基础的属性有关。“或许，或许导致某些流体断裂的原因……与维系分子的内聚能有关。”
气泡破裂
简单流体有一种无需断裂就能释放应力的方式：通过空化作用形成分子间空隙（气泡）。
例如，螺旋桨叶片在简单流体中高速旋转时，叶片一侧的流体流动速度远快于另一侧，导致该侧压力下降，引发液体空化。工程师会尽量避免这种情况，因为气泡破裂时产生的冲击波会损坏螺旋桨和泵体。
约瑟夫在90年代的论文中预测，空化作用会让简单流体发生断裂。
“液体之所以能保持整体，靠的是分子间的内聚力，也就是分子间的相互作用，”阿尔瓦雷斯说。如果将分子拉开，就会形成气泡。通常高黏度液体在形成气泡时，会通过改变形态维持内聚性。但如果短时间内形成大量气泡，理论上就会像玻璃一样让液体开裂。
德雷塞尔大学的研究人员发现，一旦简单流体内部形成裂纹，就会以极快的速度扩展——恰恰因为流体没有弹性。“只要裂纹开始形成，由于材料没有弹性，裂纹就会以物理规律允许的最快速度扩散，”阿尔瓦雷斯说。
此前针对复合流体的研究显示，熔融聚苯乙烯中的裂纹扩展速度约为每秒0.07米。而在新研究中，利马团队发现，他们测试的简单流体裂纹扩展速度要快得多，可达每秒500至1500米。
“这与材料的能量耗散方式有关，”阿尔瓦雷斯说。有一种假说认为，复合流体中，长链分子断裂时会吸收能量；而简单流体“没有任何因素能减缓裂纹的扩展”。
研究人员还发现，这会影响裂纹的形状：复合流体中的裂纹类似喇叭口，而简单流体中的裂纹则与玻璃开裂的形态一致。
如何让液体断裂
令人惊讶的是，尽管断裂方式不同，但研究人员测试的复合流体和简单流体，断裂时的临界应力值却大致相同：2兆帕。研究人员通过改变烃类混合物（一种简单流体）的温度来调整其黏度，发现只有黏度最低的液体未发生断裂。团队观察到，液体断裂的临界应力值与黏度乘以应变率（拉伸速度及液体直径变化速率）成正比。
实验所用机器的拉伸速度存在上限——尽管这个上限不低：每秒500毫米。“能达到我们这种水平的仪器寥寥无几，”利马说。她认为，如果能使用拉伸速度更快的机器，或许能让蜂蜜甚至水这类低黏度液体也发生断裂。
未来，利马计划使用更透明的液体，以便捕捉裂纹形成的全过程。她还想尝试在液体断裂瞬间冻结其表面，并用纳米级分辨率的扫描显微镜进行观测。
阿尔瓦雷斯则热衷于探索简单流体在纤维纺丝领域的应用——这一技术可用于工程和医学领域。流体断裂的研究成果还可能为喷墨打印、脑损伤防护和软体机器人等领域提供参考。
但最让阿尔瓦雷斯兴奋的，是探索简单流体断裂本身的意义。“这与学术界长期以来的认知截然不同。”
物理学前沿
