简单流体不仅能流动，还能像固体般断裂

背景

长期以来，科学家普遍认为简单流体（如蜂蜜、水、原油等）在受力时只会流动，而不会像固体那样断裂。断裂现象通常与弹性材料相关，例如玻璃、陶瓷或某些复杂的粘弹性液体（如聚合物熔体）。然而，Drexel University 化学工程研究教授 Thamires Lima 在一次与石油公司 Exxon Mobil 合作的项目中，意外发现一种非弹性的简单流体——粘稠的碳氢化合物混合物——在拉伸过程中竟然像固体一样脆性断裂，发出清脆的爆裂声。这一发现挑战了传统认知，引发了流体力学领域的新思考。

核心内容

Lima 在实验室中使用一种称为“拉伸流变学”（extensional rheology）的方法，将粘稠液体置于金属板之间进行拉伸，以测量其流动所需的力。在一次测试中，她突然听到一声短促尖锐的爆裂声，起初以为是机器故障，但随后发现声音来自被拉伸的液体本身——一种黑色的、由氢和碳组成的粘稠混合物。它没有像预期那样流动，而是像玻璃一样断裂了。

此前，断裂现象已知存在于某些弹性复杂流体中，例如聚合物熔体（如熔化的聚苯乙烯），这些流体在特定条件下会表现出类似固体的行为。但 Lima 所研究的碳氢化合物混合物是一种简单流体，几乎不具备弹性。即便如此，它在应力作用下依然断裂了。

为了确认这不是偶然现象，Lima 和实验室负责人、Drexel University 化学工程教授 Nicolas J. Alvarez 反复进行了实验，每次结果都一样：液体断裂，并发出响亮的声音，如同拉断一根橡皮筋。他们使用高速摄像机仔细观察，发现这种断裂本质上是“脆性断裂”，类似于玻璃或瓷器掉落后碎裂的过程。

脆性断裂通常发生在具有弹性的脆性固体中：当施加应力时，固体发生微小变形，若应力未超过临界点，撤去应力后它会恢复原状。但固体内部通常存在纳米尺度的微小缺陷（裂纹），一旦应力超过临界值，裂纹会以能量更有利的方式迅速扩展，导致材料瞬间破碎。

一些复杂流体（即粘弹性液体）也具有弹性，例如聚合物熔体中的长分子链相互缠绕，增加了材料的弹性成分。2016 年，Alvarez 和同事在《Physical Review Letters》上发表论文，证明了熔化的聚苯乙烯等复杂流体可以像固体一样断裂。他们当时认为弹性是液体发生这种固体式断裂的先决条件。然而，Lima 研究的简单流体几乎不储存弹性能量，却在拉伸时断裂，这迫使科学家重新审视旧理论。

印度班加罗尔国际理论科学中心的流体物理学家 Brato Chakrabarti 指出，如果流体没有弹性，那么裂纹如何萌生和扩展？这促使研究人员回溯了明尼苏达大学机械工程师 Daniel D. Joseph 在 1995 年和 1998 年发表的论文。Joseph 曾提出，任何液体，无论其弹性如何，只要受到足够的撕裂应力，都可能发生断裂。

Alvarez 猜测，液体断裂的临界点可能与弹性无关，而更根本地与液体内部将分子结合在一起的“内聚能”（cohesive energy）有关。简单流体有一种无需断裂即可释放应力的方式：在称为“空化”（cavitation）的过程中形成分子间空穴（气泡）。例如，螺旋桨叶片在简单流体中快速旋转时，叶片一侧流体流速更快，导致压力降低，从而引发空化。空化气泡坍缩时会产生冲击波，可能损坏螺旋桨。Joseph 在 90 年代的论文中预测，空化会使简单流体断裂。

Alvarez 解释，将分子分开时会形成气泡。通常，粘性液体在气泡形成时通过改变形状来保持内聚，但如果气泡在短时间内大量产生，理论上可以像玻璃一样使液体产生裂纹。在 Drexel 的实验中，研究人员发现，一旦简单流体内部萌生裂纹，由于流体没有弹性，裂纹会以极快的速度扩展——“比物理定律允许的速度还快”。此前在复杂流体中，裂纹在熔融聚苯乙烯中的传播速度约为 0.07 米/秒；而在简单流体中，裂纹传播速度达到约 500 至 1500 米/秒。Alvarez 表示，这与材料耗散能量的方式有关：复杂流体中，长分子链断裂时会吸收能量；而简单流体中“没有什么能减缓裂纹的扩展”。这还影响了裂纹的形状：复杂流体中的裂纹像喇叭口，而简单流体中的裂纹则像玻璃中的裂纹一样平直。

令人惊讶的是，尽管复杂流体和简单流体断裂方式不同，但它们在相同的临界应力（约 2 兆帕）下发生断裂。研究人员通过改变碳氢化合物混合物的温度来调节其粘度，发现只有粘度最低的液体未能断裂。他们观察到，液体断裂的临界应力与粘度乘以应变率（即拉伸速率和液体直径变化率）成正比。实验所用机器的最大拉伸速度为 500 毫米/秒，Lima 认为，如果使用更快的机器，可能能够使更低粘度的液体（如蜂蜜甚至水）也发生断裂。

未来，Lima 希望使用更透明的液体以捕捉裂纹形成的瞬间，并尝试在液体断裂后立即冷冻其表面，用高分辨率纳米级扫描显微镜进行探测。Alvarez 则对简单流体在纺丝成纤维（工程应用）中的表现感兴趣。

关键要点

• 简单流体（如碳氢化合物混合物）在拉伸应力下会发生脆性断裂，并非只能流动。
• 这一发现挑战了传统观点，即认为液体断裂需要弹性（如粘弹性复杂流体）。
• 断裂行为与弹性无关，可能源于液体内部的分子内聚力（cohesive energy）。
• 裂纹在简单流体中的传播速度极快（500–1500 m/s），远快于复杂流体（0.07 m/s）。
• 简单流体和复杂流体在相同临界应力（约 2 MPa）下断裂，且临界应力与粘度×应变率成正比。
• 简单流体断裂的机制与空化（cavitation）有关：大量气泡快速形成可导致液体像玻璃一样开裂。
• 实验所用机器拉伸速度有限（500 mm/s），若速度更快，可能使更低粘度的液体（如蜂蜜甚至水）也发生断裂。

意义与影响

这一发现颠覆了流体力学中关于“简单流体只能流动，不能断裂”的经典认知，为理解液体在极端应力下的行为提供了全新视角。它表明，非弹性简单流体也能表现出类似固体的脆性断裂，这暗示着液体断裂的物理机制可能比此前认为的更为基本——与内聚力而非弹性更相关。该研究对工业应用具有重要意义：例如，在石油管道输送、液体喷射、润滑、材料加工（如纺丝）等领域，液体可能在高应力下意外断裂，影响设备安全和产品质量。此外，理解裂纹在简单流体中的超快传播有助于设计更耐用的泵、螺旋桨等设备，避免空化导致的损坏。这一发现也为未来研究提供了方向：探索更广泛的液体（包括水）在极高拉伸速率下的断裂行为，并可能促使工程师重新评估涉及液体流动的工艺设计。