固體與液體的一種區(qū)別在于，當(dāng)固體達(dá)到一種被稱為“臨界應(yīng)力”的狀態(tài)時(shí)，固體就會(huì)發(fā)生斷裂，而液體則表現(xiàn)為連續(xù)變形。

然而，在一項(xiàng)新發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：在適當(dāng)條件下，可以使一種簡(jiǎn)單液體像固體一樣發(fā)生斷裂。他們的研究結(jié)果表明，當(dāng)受到足夠強(qiáng)的拉伸作用時(shí)，黏性液體也可能突然斷裂。而且，這種現(xiàn)象很可能適用于所有簡(jiǎn)單液體，包括水和油等常見(jiàn)液體。

意外的斷裂

這是一項(xiàng)意料之外的發(fā)現(xiàn)。一開(kāi)始，研究人員正在測(cè)量?jī)煞N簡(jiǎn)單液體的性質(zhì)。在進(jìn)行拉伸流變測(cè)試（即測(cè)量使液體發(fā)生流動(dòng)所需力的實(shí)驗(yàn)）時(shí)，這些類似焦油的液體并沒(méi)有出現(xiàn)像一團(tuán)蜂蜜被倒入水中時(shí)所熟悉的那種逐漸拉細(xì)、變薄的過(guò)程，而是出人意料地以一種“啪”的方式突然斷開(kāi)了。

起初，研究人員以為是機(jī)器壞了，但很快他們意識(shí)到聲音其實(shí)來(lái)自正在被拉伸的液體。在此進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，他們確認(rèn)了這種意外現(xiàn)象的真實(shí)性。在那之后，他們的整個(gè)研究就轉(zhuǎn)向了一個(gè)完全不同的科學(xué)問(wèn)題。

液體也會(huì)脆性斷裂

通過(guò)高速攝像機(jī)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)觀察到一種通常只在固體材料（如金屬）受到拉伸時(shí)才會(huì)出現(xiàn)的行為：在某一時(shí)刻，材料會(huì)先發(fā)生拉伸，直到達(dá)到臨界應(yīng)力點(diǎn)，然后突然斷裂。這種現(xiàn)象被稱為“脆性斷裂”，而這種行為此前從未在簡(jiǎn)單液體中被觀察到。

他們最初觀察到發(fā)生斷裂的是類似焦油的碳?xì)浠衔锘旌衔?/strong>，這些液體在約2兆帕的臨界應(yīng)力下斷裂。為理解這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)使用了另一種簡(jiǎn)單液體重復(fù)了實(shí)驗(yàn)。這種液體是苯乙烯寡聚體，其黏度與之前的碳?xì)浠衔锘旌衔锵嗤?/p>

在研究一種類似焦油的簡(jiǎn)單液體時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)只要施加足夠大的拉伸力，這種液體就會(huì)像固體一樣發(fā)生斷裂。進(jìn)一步研究結(jié)果表明，這一現(xiàn)象可能適用于所有簡(jiǎn)單液體。（圖/drexel.edu）

令人驚訝的是，苯乙烯寡聚體在相同的拉伸率下也發(fā)生了斷裂，這表明黏度在液體呈現(xiàn)類固體斷裂行為中起關(guān)鍵作用，并暗示所有簡(jiǎn)單液體可能具有類似的斷裂閾值。

當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)在一系列不同溫度下重復(fù)實(shí)驗(yàn)、以改變液體黏度時(shí)，這一點(diǎn)得到了進(jìn)一步驗(yàn)證。在每一種黏度下，都存在一個(gè)特定的拉伸率可以誘發(fā)斷裂，而且這一條件始終與大約2兆帕的“臨界應(yīng)力”相應(yīng)。

最終，當(dāng)黏度降低到一定程度后，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的拉伸率有限，已無(wú)法再使樣品發(fā)生斷裂。

斷裂未必依賴彈性

這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)樵诖酥?，科學(xué)家通常將斷裂視為一種源于彈性的性質(zhì)——即材料承受并儲(chǔ)存應(yīng)力的能力。

而在液體形式下，簡(jiǎn)單流體缺乏主導(dǎo)性的彈性機(jī)制來(lái)儲(chǔ)存應(yīng)力，因此在受到推拉時(shí)，它們通常表現(xiàn)不是彎曲，而是流動(dòng)，以及新研究所發(fā)現(xiàn)的——斷裂。

對(duì)于簡(jiǎn)單液體而言，彈性的概念在很大程度上并不適用，除非液體被冷卻到低于其“玻璃化轉(zhuǎn)變”溫度，即開(kāi)始呈現(xiàn)固體特性的溫度。因此，在仍處于液態(tài)時(shí)觀察到簡(jiǎn)單液體發(fā)生斷裂，清楚地表明：斷裂現(xiàn)象并不局限于具有彈性的材料。

在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)還將苯乙烯低聚物和與其對(duì)應(yīng)的聚合物液體進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種液體都在相同的臨界應(yīng)力點(diǎn)發(fā)生斷裂，這意味著彈性在簡(jiǎn)單液體的斷裂過(guò)程中實(shí)際上并不起決定作用。

換言之，許多其他具有彈性的液體也可能在相似的臨界應(yīng)力下發(fā)生斷裂。這說(shuō)明，這種現(xiàn)象在很大程度上不依賴具體化學(xué)組成，并可能適用于廣泛的液體體系。

機(jī)制與意義

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)研究液體斷裂現(xiàn)象，以揭示其背后的物理機(jī)制，以及這種行為在其他液體中的表現(xiàn)方式。目前的初步線索表明，這一現(xiàn)象可能與“空穴現(xiàn)象”有關(guān)——即在應(yīng)力作用下形成并迅速塌陷的氣泡，在液體中產(chǎn)生沖擊波的過(guò)程。

此外，研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)從根本上改變了物理學(xué)家對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的理解，并有望為液體的操控方式帶來(lái)新的可能性，涉及從液壓系統(tǒng)到3D打印，再到血管中的流體行為等多個(gè)領(lǐng)域。

#參考來(lái)源：

https://drexel.edu/news/archive/2026/March/liquid-breaking-point

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/t2vy-32wr

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：AnthonyArnaud / Pixabay