Тхамирес Лима, профессор химической инженерии из Университета Дрекселя, растягивала вязкую чёрную жидкость между металлическими пластинами. Это был углеводородный бленд — простая жидкость без эластичности, вроде патоки. И вдруг она услышала резкий хруст. Жидкость не растянулась — она треснула, как стекло.
Обычно так ведут себя упругие сложные жидкости — например, расплавленный полистирол. Они могут накапливать энергию и ломаться, как твёрдые тела. Но простая жидкость не упруга. Когда её тянут, молекулы просто перестраиваются — она течёт. Трещина в ней — это нонсенс. «Никто не ожидал, что такое возможно», — говорит физик-флюидолог Арнольд Матейссен из Пенсильванского университета.
Чтобы убедиться, что это не случайность, Лима повторила эксперимент несколько раз. Каждый раз жидкость лопалась с громким щелчком. Команда сняла процесс высокоскоростной камерой и поняла: это brittle fracture — хрупкое разрушение. Идеально твёрдое тело после снятия нагрузки возвращается в форму. Но в реальности в нём есть микроскопические дефекты. Когда напряжение превышает порог, трещина начинает расти молниеносно. Оказалось, что в простой жидкости происходит то же самое.
Ещё в середине 1990-х инженер Дэниел Джозеф из Миннесотского университета предсказывал, что любая жидкость может треснуть, если приложить достаточное tearing stress. Но его работу почти забыли. Теперь к ней вернулись.
В сложных жидкостях, вроде полимеров, длинные молекулярные цепочки задерживают энергию. Трещина в них идёт медленно — около 0,07 метра в секунду. В простой жидкости нечему тормозить разрыв. Трещина разгоняется до 500–1500 метров в секунду — почти как пуля. Форма тоже разная: в сложной жидкости излом похож на раструб трубы, в простой — на трещину в стекле.
При этом и те, и другие жидкости ломались при одном и том же критическом напряжении — 2 мегапаскаля. Команда меняла температуру углеводородного бленда, меняя вязкость. Не треснула только самая жидкая проба.
Экспериментальная машина могла двигать пластины максимум на 500 мм/с. Лима считает: если бы прибор тянул быстрее, можно было бы расколоть даже мёд или воду.
В будущем она хочет взять прозрачную жидкость, чтобы снять трещину на камеру, и заморозить поверхность сразу после разлома для нанометрового сканирования. Николас Альварес, руководитель лаборатории, собирается изучить разрывы в контексте прядения волокон для инженерии и медицины. Это может пригодиться в струйной печати, защите мозга от травм и мягкой робототехнике.
Но главный вопрос, который его волнует: почему вообще простая жидкость трескается? «Это полностью меняет то, что мы десятилетиями писали в учебниках», — говорит он.