Miért reped szét egy egyszerű folyadék?
Egy kutatónő, Thamires Lima, miközben egy szénhidrogén-keveréket nyújtott két fémlemez között, éles pattanást hallott. A hang eredete nem egy elhasználódott gépalkatrész volt, hanem maga a vizsgált folyadék. A laborban megszokott műanyag olvadékok vagy összetett polimerek helyett most egy egyszerű, rugalmatlan vegyület tört szét – ez teljesen váratlan volt, hiszen az ilyen anyagokról azt tartották, nyomás vagy húzás hatására csak változtatják alakjukat, de nem szakadnak.
A dolog érdekessége éppen az, hogy egy egyszerű, szinte semmi rugalmassággal nem rendelkező folyadékban is megjelent az a fajta törés, amit addig kizárólag rugalmas vagy félig szilárd anyagok sajátosságának gondoltak.
A rideg törés jellemzői
Az eredmények igazolására Lima újra és újra elvégezte a kísérletet, minden alkalommal hangos reccsenést hallva, akárcsak egy gumiszalag hirtelen szakadása esetén. Magas sebességű kamerákkal vizsgálták meg közelebbről a repedést, és kiderült: ugyanúgy törik, mint egy porcelán vagy üveg – hirtelen, robbanásszerűen.
Az ilyen rideg törések tipikusan szilárd testeknél fordulnak elő. A szilárd anyagokban kicsiny hibák, mikroszkopikus repedések találhatók. Ha a rájuk ható erő túllépi az anyag kritikus pontját, kedvezőbb a repedés növekedése, mint az anyag rugalmasságával ellenállni. Ez a repedés aztán villámgyorsan végigsöpör az anyagon.
Eddig úgy hitték, hogy csak a polimerolvadékokhoz vagy más összetett, úgynevezett viszkoelasztikus folyadékokhoz köthető ez a viselkedés, amelyek molekuláris láncai egymásba gabalyodnak, és a strukturáltságnak köszönhetően valóban felléphet rugalmasság.
Mi tartja össze a folyadékot?
Joggal merül fel a kérdés: ha semmi nem rugalmas egy folyadékban, miért és hogyan hasad akkor szét? Egy régebbi, kevésbé ismert elmélet szerint nem a rugalmasság, hanem a folyadék belső kohéziós energiája lehet a kulcs. Mintha az, ami igazából összetartja a molekulákat, egy ponton már nem lenne elég az ellenálláshoz, ha elég nagy erővel húzzák szét őket.
Léteznek ugyan egyszerű folyadékokra jellemző feszültségmentesítési mechanizmusok, például az üregek (buborékok) megjelenése, ezt a folyamatot kavitációnak nevezik. Például propellerek környezetében a nyomásesés miatt buborékok képződnek, ezek összeomlása akár kárt is tehet a szerkezetben, hiszen erős nyomáshullámokat okoznak.
Részletesebben kifejtve: a kísérletben feltételezhető, hogy a folyadékban apró üregek jelennek meg, majd ezek összeolvadnak, így hirtelen, egy üveglaphoz hasonlóan reped keresztül az anyag. Míg a komplex folyadékokban maguk a hosszú láncú molekulák segítenek elnyelni a felszabaduló energiát és lassítják a repedés terjedését, addig az egyszerű folyadékban semmi sem gátolja a pattanásszerű törést.
Törési sebesség és kritikus pont
A tudósok kimutatták, hogy egyszerű folyadékokban a repedés akár 500–1 500 méter per másodperces sebességgel is haladhat, szemben a komplex polisztirol-olvadékoknál mért 0,07 méter per másodperces értékkel. Ez is mutatja, hogy a belső szerkezeti különbségek mennyire eltérő törési dinamikát eredményeznek.
Külön érdekes, hogy akár egyszerű, akár összetett folyadékról van szó, mindkettő körülbelül ugyanazon, 2 megapascalos feszültségnél repedt el. Ez a feszültség a viszkozitás és a deformáció sebességének szorzatával arányos. Bizonyos folyadékok – például a legkisebb viszkozitású változat – nem hasadtak, de a többi kivétel nélkül átszakadt.
Ha a laboratórium rendelkezne gyorsabb szakítóberendezéssel, minden bizonnyal kisebb viszkozitású anyagokat (például vizet vagy mézet) is el tudnának repeszteni hasonló módon.
Merre tovább a törékeny folyadékok kutatásában?
A fejlemények minden várakozást felülmúltak. A kutatók következő lépésként átlátszóbb folyadékokat szeretnének vizsgálni, hogy nagy felbontású mikroszkóppal is rögzíthessék az első repedések kialakulását. Tervben van továbbá a törés után az anyag szerkezetének gyors rögzítése, majd nanométeres pontosságú elemzése is.
Ezek az eredmények több területen hozhatnak áttörést: az extrudált szálak gyártása, orvosi alkalmazások, tintasugaras nyomtatás vagy puha robotika mind profitálhatnak abból, ha még jobban értjük a folyadékok törésének alapelveit.
Összességében egy új, izgalmas kutatási terület nyílt meg: a látszólag egyszerű folyadékok – megfelelő körülmények között – ugyanúgy repedhetnek, mint a legszilárdabb üveg.
