Cercetători de la Drexel: lichidele simple se pot rupe brusc precum solidele la o anumită tensiune critică

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de la Drexel University a descoperit un comportament neașteptat al lichidelor simple: atunci când sunt întinse cu o forță suficient de mare pe unitatea de suprafață, anumite lichide vâscoase nu se subțiază și curg progresiv, ci se rup brusc, ca un material solid. Studiul, publicat în Physical Review Letters, arată că vâscozitatea—rezistența unui lichid la curgere—joacă un rol mult mai important în comportamentul mecanic al fluidelor decât se credea până acum.

O observație surprinzătoare în timpul testelor

Descoperirea a apărut în timpul unor teste de reologie extensională realizate în colaborare cu ExxonMobil Technology & Engineering Company. În aceste experimente, care măsoară forța necesară pentru a întinde un lichid astfel încât acesta să curgă, cercetătorii au observat că, în loc să se alungească și să se subțieze treptat, anumite amestecuri hidrocarburice cu textură asemănătoare gudronului s-au rupt brusc.

„Rezultatul a fost atât de neașteptat încât am repetat experimentele de mai multe ori pentru a mă asigura că este real”, a declarat Nicolas Alvarez, PhD, profesor în College of Engineering al Drexel, al cărui laborator a condus cercetarea. Observația a transformat proiectul într-o nouă direcție științifică.

Folosind o cameră de mare viteză, echipa a surprins un comportament tipic materialelor solide: la întindere, solidele se alungesc până ating un punct critic de stres, după care se rup brusc—un proces cunoscut ca fractură fragilă. Cercetătorii au constatat același tipar la lichide simple, fenomen care, până atunci, nu fusese descris pentru lichide aflate cu adevărat în stare lichidă.

Thamires Lima, PhD, profesor cercetător asistent în College of Engineering al Drexel, care a condus cercetarea, a povestit experiența: „Fractura a produs un sunet foarte puternic, un pocnet care m-a luat prin surprindere. La început m-am gândit că s-a stricat aparatul, dar apoi am realizat că zgomotul venea de la lichidul care era întins.”

Vâscozitatea și tensiunea critică de rupere

Primele lichide care au manifestat acest comportament au fost amestecuri hidrocarburice asemănătoare gudronului, care s-au fracturat la o tensiune critică de aproximativ 2 megapascali. Echipa a oferit o comparație intuitivă: o forță în jurul acestei valori este similară cu cea pe care ai simți-o dacă un sac de haine plin cu 10 cărămizi ți s-ar agăța de unghie în timp ce cade.

Pentru a verifica dacă fenomenul depinde de compoziția chimică sau este legat de proprietăți macromecanice, cercetătorii au testat un alt lichid simplu, oligomerul de stiren, având aceeași vâscozitate. Acesta s-a rupt în condiții similare de întindere, ceea ce sugerează că vâscozitatea, nu elasticitatea, este factorul determinant.

Prin modificarea temperaturii, care influențează vâscozitatea, echipa a observat că pentru fiecare valoare a vâscozității există o rată specifică de întindere care declanșează fractura, iar această rată corespunde constant tensiunii critice de circa 2 megapascali. La vâscozități mai mici, aparatul de testare nu a reușit să întindă lichidul suficient de rapid pentru a atinge tensiunea critică, iar lichidul nu s-a rupt în acele condiții experimentale.

Provocarea unor ipoteze tradiționale

Până acum, fractura era considerată în mod exclusiv o proprietate a materialelor elastice—cele care pot stoca și suporta stres. Lichidele simple, în starea lor obișnuită, nu stochează stres în același mod; când sunt supuse unei forțe, ele curg, nu se îndoaie sau nu se sparg. Elasticitatea devine semnificativă doar atunci când un lichid este răcit sub tranziția sa în sticlă, când începe să se comporte mai mult ca un solid.

Observarea unei fracturi în lichide complet lichide indică faptul că ruperea nu este exclusiv o caracteristică a materialelor elastice. „Deși lichide viscoelastice și polimerice — cum ar fi Oobleck sau slime-ul făcut acasă — au demonstrat anterior comportament de fractură similar solidelor, lichidele simple erau considerate a se deforma continuu la temperaturi deasupra tranziției lor în sticlă și, prin urmare, incapabile de fractură”, a explicat Lima. „Arătând că efectele vâscoase sunt suficiente pentru a promova un comportament de fractură asemănător solidelor deschide un univers de întrebări noi în această zonă a științei.”

Cercetarea a inclus și o comparație între un lichid simplu, oligomer stimen, și un lichid polimeric înrudăt. Ambele au cedat la același punct de stres critic, consolidând ideea că elasticitatea nu explică fractura observată la lichide simple.

Mecanisme posibile și direcții viitoare de cercetare

Echipa intenționează să continue investigarea cauzelor care stau la baza acestui fenomen și să stabilească cât de răspândit este acesta în rândul lichidelor simple. Un mecanism sugerat în stadiile inițiale ale analizei este cavitația: formarea și colapsul rapid al unor bule de vapori foarte mici, care pot genera unde de șoc în interiorul lichidului.

„Acum că am raportat acest comportament neașteptat, munca de a înțelege complet de ce se întâmplă și cum se manifestă în alte lichide reprezintă un pas important următor”, a spus Lima. Cercetătorii subliniază că, pe măsură ce mecanismul devine mai clar, ar putea fi explorate aplicații practice ale descoperirii.

Potrivit autorilor, înțelegerea acestui tip de comportament ar putea influența multiple domenii tehnologice și industriale: de la reglarea fluxului în sisteme hidraulice și în imprimarea tridimensională, până la înțelegerea curgerii sângelui în corp. De asemenea, găsirea modului în care vâscozitatea conduce la o rupere bruscă a lichidului ar putea oferi noi perspective utile în procese precum filarea fibrelor, care implică manipularea lichidelor vâscoase.

Detalii despre publicație și echipa de cercetare

Studiul, intitulat „Unexpected Solidlike Fracture in Simple Liquids”, este semnat de Thamires A. Lima, Nicolas J. Alvarez, Stuart E. Smith, Kazem V. Edmond, Manesh Gopinadhan și Emmanuel Ulysse și a fost publicat în 2026 în Physical Review Letters, volum 136, numărul 12. Referința DOI furnizată în materialul original este: http://dx.doi.org/10.1103/t2vy-32wr.

Universitatea Drexel a comunicat rezultatele și a pus la dispoziție un rezumat al descoperirii pe pagina sa de știri; o prezentare detaliată a experimentelor și rezultatelor se regăsește în comunicarea oficială a instituției. Materialul indică, de asemenea, colaborarea cu ExxonMobil Technology & Engineering Company în realizarea testelor experimentale.

Implicații pentru teoria fluidelor și tehnologie

Descoperirea obligă comunitatea științifică să reconsidere rolul vâscozității în dinamica fluidelor, în special în regimuri de extindere rapidă unde forțele pe unitatea de suprafață pot atinge valori ridicate. Dacă fenomenul se dovedește a fi general pentru o gamă largă de lichide simple, consecințele pentru modelarea și controlul fluxurilor în aplicații practice ar putea fi semnificative.

Autorii subliniază că, înainte de a trage concluzii generale, este necesar să se investigheze răspunsul altor lichide, să se identifice limitele condițiilor experimentale și să se clarifice mecanismele interne—cum ar fi cavitația—care pot produce undele de șoc și, în final, fractura lichidului.

Descoperirea reprezentată de această cercetare ilustrează faptul că, în științele materiale și fluidice, realitățile experimentale pot surprinde modelele teoretice stabilite și că proprietăți aparent simple—precum vâscozitatea—pot genera fenomene complexe cu implicații practice neașteptate.

Data comunicatului Drexel: 30 martie 2026.

Surse pentru cititorii interesați: Pagina de știri Drexel University și referința DOI a articolelor științifice citate.