流体动力学的范式转变
苏黎世 – 几个世纪以来，固体和液体之间的根本区别一直很明显：固体破裂，液体流动。但苏黎世理工学院 (ZPI) 研究人员的一项突破性发现正在挑战这一基本原则。在一系列精心控制的实验中，科学家们观察到普通液体在受到特定的力时会突然破裂，通常与固体材料相关。
本周发表在著名期刊《自然物理学》上的研究结果颠覆了长期以来关于流体力学的假设。主要作者、ZPI 材料科学教授 Lena Petrova 博士将这一现象描述为既令人震惊又意义深远。 “我们一直都知道，液体在张力作用下会变稀、拉伸，并最终分离成液滴或流，”彼得洛娃博士在周二的新闻发布会上解释道。 “看到液体几乎在瞬间突然分裂，就像一块易碎的塑料或金属一样，迫使我们彻底重新思考这些日常物质的内部动力学。”
揭开液体隐藏的裂缝
ZPI 团队使用定制的流变仪和超高速相机（能够以每秒 100,000 帧的速度捕获事件）实现了这一前所未有的观察。他们专注于高粘度液体，特别是专有的聚（二甲基硅氧烷）混合物和粘度超过 100,000 厘沱 (cSt) 的高分子量硅油。液体被吸入仅 50 微米宽的微流体通道，并受到快速增加的拉力，超过 100 千帕 (kPa)。
“我们看到的并不是我们预期的逐渐颈缩和变薄，”Petrova 博士解释道，并展示了一段慢动作视频。 “相反，在临界应力点，一条干净的断裂线通过液体传播，形成两个截然不同的、轮廓分明的表面。它非常精确，几乎像外科手术一样。”破裂仅在几微秒内发生，没有给传统意义上的液体变形或流动留下时间。这种快速分离强烈模仿固体中的脆性断裂，其中键在平面上断裂，而不是拉伸和重新排列。
粘性扭曲：挑战旧范式
至关重要的是，ZPI 团队确定这种折断行为并不是由弹性驱动的，正如直观假设的那样。弹性是材料变形后恢复其原始形状的能力，这种特性通常与具有液体和固体特性的橡胶固体或粘弹性流体相关。相反，Petrova 博士的研究指出粘度（液体的流动阻力）是主要因素。
“我们的模型表明，在这些高粘度液体中，在快速和强烈的拉伸下，内部分子摩擦和缠结产生应力的速度比分子通过流动重新排列的速度更快，”该项目的合著者和理论物理学家 Kai Bergman 博士说。 “本质上，液体在分子水平上被‘堵塞’，当力变得太大时，结构就会发生灾难性的破坏，导致断裂而不是平滑的分离。这是一种粘性驱动的脆性破坏，以前认为这个概念对于真正的液体来说是不可能的。”这一发现从根本上挑战了流体力学的经典理解，流体力学在很大程度上预测了应力下的连续变形和流动。
实验室之外：现实世界的影响
这一发现的影响远远超出了研究实验室的范围。从先进制造到生物医学工程等行业，它们处理和加工材料的方式可能会发生重大变化。例如，涉及高粘性聚合物的挤出、专用涂层的应用，甚至液体树脂的精密 3D 打印的工艺都可以通过这种新的理解进行优化或重新设计。
“想象一下微流体中的场景，您需要精确分离少量液体而没有任何残留的拉丝，或者在增材制造中控制聚合物射流的精确断点可能会带来前所未有的分辨率，”Petrova 博士建议道。 “这也为理解自然现象开辟了新途径，例如极压下岩浆的行为或某些生物液体的动力学。”预测和潜在控制这种液体破裂的能力可能会导致开发具有定制破裂特性或更高效的工业流程的新型材料。
流体动力学的未来之路
ZPI 团队目前正在扩大其研究范围，以研究更广泛的液体，包括复杂的悬浮液和乳液，并探索温度和压力对这种破裂现象的影响。他们还计划开发更复杂的理论模型，以充分捕捉复杂的分子相互作用。这一发现标志着一个重要的里程碑，促使科学家重新审视物质的基本理论，并有可能催生新型材料工程。
