В космической технике жидкости обычно представляют собой нечто предсказуемое: топливо течет по магистралям, охлаждающие жидкости циркулируют в контурах, а технологические смеси равномерно подаются в системы печати или переработки. Но новое исследование показало, что при определенных условиях жидкости способны буквально ломаться, как твердые тела. Именно к такому выводу пришла команда из Drexel University, работа которой опубликована в Physical Review Letters.
В ходе экспериментов ученые растягивали простые жидкости в тесте на растяжимую реологию* и заметили неожиданное: вместо привычного вытягивания в тонкую нить жидкость внезапно разрывалась с характерным резким щелчком. Сначала это зафиксировали для вязких углеводородных смесей, а затем повторили результат на олигомере стирола с аналогичной вязкостью. В обоих случаях жидкость достигала критического напряжения около 2 мегапаскалей, после чего вела себя подобно хрупкому твердому материалу.
*Растягивающая реология — это раздел исследования текучих материалов, где изучают, как жидкость или мягкий материал ведет себя не при сдвиге, а при растяжении.
Самое важное в этой работе то, что ключевую роль играет не упругость, а именно вязкость. Это противоречит привычному представлению, будто разрушение через трещину присуще только твердым или явно упруго-вязким материалам. Исследователи также предполагают, что механизм может быть связан с кавитацией — образованием и быстрым сжиманием пузырьков внутри жидкости. Если выводы подтвердятся для более широкого класса жидкостей, это может изменить подходы к гидравлике, волоконному формованию материалов и 3D-печати.
Как это работает? Представьте себе очень густой сироп. Обычно мы думаем, что если его тянуть, он просто будет вытягиваться во все более тонкую нить, пока не перетечет в новую форму. Но ученые показали, что если тянуть достаточно быстро и сильно, некоторые жидкости не успевают плавно перетекать. Они доходят до предела напряжения и тогда не вытягиваются дальше, а резко рвутся — почти как натянутая пластиковая деталь или тонкий кусок стекла.
Почему это важно? Для космической отрасли это открытие может оказаться важным во всем, что связано с поведением вязких жидкостей под большими нагрузками: от топливных и криогенных магистралей до микрофлюидных систем, внеземного производства материалов и 3D-печати на орбите. Сами исследователи уже указывают на потенциальное значение результата для гидравлики, 3D-принтеров и процессов формирования волокон; из этого следует, что подобные модели могут быть полезны и для космических систем, где контроль течения жидкостей критически важен.
