Sciencemag.cz
Doporučujeme
Nový výzkum překvapivě ukazuje, že viskózní kapaliny se mohou náhle zlomit, pokud jsou natahovány dostatečnou silou. A jak se liší bod lomu různých kapalin?
Pozorované chování při lomu naznačuje, že viskozita – odpor kapaliny proti toku – může hrát v jejích mechanických vlastnostech významnější roli, než se dosud předpokládalo. Otevírá to také nové možnosti, jak lze s kapalinami manipulovat v nejrůznějších oblastech, od hydrauliky přes 3D tiskárny a výrobu vláken až po krevní cévy.
„Naše zjištění ukazují, že je-li jednoduchá kapalina – tedy kapalina, která teče – roztahována/natahována s dostatečnou silou na jednotku plochy, dosáhne bodu ‚kritického napětí‘, kdy se skutečně zlomí jako pevná látka. A to pravděpodobně platí pro všechny jednoduché kapaliny, včetně běžných příkladů, jako je voda a olej,“ uvedla spoluautorka výzkumu Thamires Lima z Drexel University.
K nečekanému objevu došlo při provádění reologického testu tažnosti – měření síly potřebné k tomu, aby kapalina začala téct – když se zkoumané dehtovité kapaliny překvapivě rozdělily s náhlým prasknutím, namísto toho, aby se ztenčovaly pomalu, jako když med ze lžičky medu teče do čaje. Při prasknutí se ozval velmi hlasitý praskavý zvuk, když se vědci původně lekli, že se celý stroj rozbil.
Záznam testu pomocí vysokorychlostní kamery umožnil týmu pozorovat chování, které se obvykle vyskytuje, když je pevný materiál, jako například kus kovu, vystaven napětí. V určitém okamžiku se začne protahovat, až dosáhne bodu kritického napětí, kdy se náhle zlomí na polovinu. Tento jev podle výzkumníků nebyl dosud nikdy pozorován u jednoduché kapaliny.
Prvními tekutinami, u nichž se prokázalo zlomení, byly dehtovité směsi uhlovodíků, které se zlomily při kritickém napětí 2 MPa („což je zhruba síla napětí, kterou byste nepříjemně pocítili, kdybyste shodili z římsy pytel na prádlo obsahující 10 cihel a jeho šňůrka by se vám zachytila za nehet,“ praví průvodní tisková zpráva).
Vědci zopakovali test s jinou jednoduchou kapalinou, styrenovým oligomerem, který má stejnou viskozitu jako směsi uhlovodíků. Překvapivě došlo k lomu při stejné rychlosti protahování, což naznačuje, že viskozita hraje klíčovou roli v chování kapalin při lomu podobném chování pevných látek a že řada různých kapalin může mít stejný bod lomu.
To se dále potvrdilo, když tým opakoval testy při řadě různých teplot, aby změnil viskozitu kapalin. Při každé viskozitě existovala jedinečná rychlost protažení, která vyvolala lom – vždy úměrná původnímu „kritickému napětí“ 2 MPa. Nakonec každý vzorek dosáhl dostatečně nízké viskozity, kdy jej testovací zařízení, které bylo omezeno svou rychlostí protažení, zlomit nedokázalo.
Tento objev je podle autorů studie významný, protože dosud vědci považovali lom za vlastnost elasticity – schopnost materiálu snášet napětí. V kapalném stavu nemají jednoduché kapaliny žádný dominantní elastický mechanismus pro akumulaci napětí, a proto při tlačení nebo tahání kapaliny tečou, místo aby se ohýbaly, nebo – jak až dosud myslelo – praskaly.
U jednoduchých kapalin je pojem elasticity do značné míry irelevantní, dokud není kapalina ochlazena pod svou teplotu skelného přechodu (glass transition), tedy teplotu, při které začíná nabývat vlastností pevné látky. Podle výzkumníků tedy lom jednoduché kapaliny – zatímco je stále v kapalném stavu – jasně znamená, že jev lomu není omezen pouze na elastické materiály.
Ačkoli viskoelastické a polymerní kapaliny vykazují chování při lomu podobné pevným látkám, u jednoduchých kapalin se vždy předpokládalo, že při teplotách nad skelným přechodem vykazují kontinuální deformaci, a proto by se lámat neměly.
Tým také provedl srovnání jednoduché kapaliny – oligomerní styrenové kapaliny – s její polymerní obdobou. Testy odhalily, že obě kapaliny se lámou ve stejném kritickém bodě napětí, což naznačuje, že elasticita ve skutečnosti v jevu lomu u jednoduché kapaliny nehraje roli. Celý jev je zřejmě relativně nezávislý na chemickém složení a který lze pravděpodobně vztáhnout na širokou škálu kapalin.
Thamires A. Lima et al, Unexpected Solidlike Fracture in Simple Liquids, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/t2vy-32wr
Zdroj: Drexel University / Phys.org, přeloženo / zkráceno
