Una scoperta sorprendente rivela che i liquidi possono fratturarsi come solidi sotto stress critico, rivoluzionando la meccanica dei fluidi e aprendo nuove possibilità scientifiche e tecnologiche inattese
Liquidi che si rompono sotto stress: il risultato che sconvolge la fisica classica.
In uno sviluppo che potrebbe modificare la nostra comprensione di base della meccanica dei fluidi, i ricercatori della Drexel University hanno riportato che, date le circostanze appropriate, è possibile indurre un liquido semplice a fratturarsi come un oggetto solido. Pubblicata recentemente sulla rivista Physical Review Letters (1), la ricerca mostra come i liquidi viscosi possano improvvisamente rompersi se sottoposti a sufficiente forza di trazione.
Il comportamento di frattura suggerisce che la viscosità - la resistenza di un liquido allo scorrimento - possa avere un ruolo più rilevante nelle sue proprietà meccaniche di quanto si fosse compreso in precedenza. Solleva inoltre nuove possibilità su come i liquidi potrebbero essere manipolati in ambiti che vanno dall’idraulica alle stampanti 3D fino ai vasi sanguigni.
«I nostri risultati mostrano che, se tirato con abbastanza forza per unità di area, un liquido semplice - un liquido che scorre - raggiungerà quello che definiamo un punto di ‘stress critico’, nel quale in realtà si fratturerà come un solido. E questo è probabilmente vero per tutti i liquidi semplici, inclusi esempi comuni come l’acqua e l’olio», ha detto la dottoressa Thamires Lima, PhD (2), assistente professore di ricerca presso il College of Engineering della Drexel, che ha contribuito a guidare la ricerca. «Questo cambia fondamentalmente la nostra comprensione della dinamica dei fluidi».
La scoperta inattesa è avvenuta mentre Lima e i suoi collaboratori stavano misurando le proprietà di due liquidi semplici nell’ambito di una ricerca con la ExxonMobil Technology & Engineering Company. Nel corso di un test di reologia estensionale - una misura di quanta forza sia necessaria per far scorrere un liquido - i liquidi simili al catrame si sono sorprendentemente separati con uno schiocco improvviso, invece del comportamento di assottigliamento graduale familiare a chiunque abbia versato un cucchiaio di miele in una tazza di tè.
«Ciò che abbiamo osservato era così inaspettato che abbiamo dovuto ripetere gli esperimenti alcune volte per assicurarci che fosse reale», ha detto Nicolas Alvarez, PhD (3), professore al College of Engineering, il cui laboratorio ha guidato la ricerca. «Una volta confermato il fenomeno, la ricerca è diventata un’impresa scientifica completamente diversa».
Registrare il test con una telecamera ad alta velocità ha permesso al team di osservare un comportamento che tipicamente si verifica quando un materiale solido, come un pezzo di metallo, è sottoposto a trazione. A un certo punto, esso inizia ad allungarsi, fino a raggiungere un punto di stress critico in cui improvvisamente si spezza in due. Questo è chiamato frattura fragile e, secondo i ricercatori, non era mai stato osservato prima in un liquido semplice.
«È stato qualcosa di incredibilmente sorprendente da vedere», ha detto la dottoressa Thamires Lima. «La frattura ha provocato un rumore secco molto forte che mi ha davvero spaventata. Ho pensato inizialmente che la macchina si fosse rotta, ma ho presto capito che il rumore proveniva dal fluido in trazione».
I primi liquidi in cui hanno osservato la frattura erano miscele di idrocarburi simili al catrame, che si fratturavano sotto uno stress critico di 2 megapascal - all’incirca la forza di trazione che si proverebbe, in modo decisamente spiacevole, se si spingesse oltre un bordo un sacco della biancheria contenente 10 mattoni e il suo laccio si impigliasse sotto un’unghia.
Per comprendere questo fenomeno, il gruppo ha ripetuto il test con un altro liquido semplice, l’oligomero di stirene, avente la stessa viscosità delle miscele di idrocarburi. Sorprendentemente, si è fratturato alla stessa velocità di stiramento, suggerendo che la viscosità svolga un ruolo chiave nel comportamento di frattura simile a quello dei solidi e che tutti i liquidi semplici possano avere lo stesso punto di rottura.
Ciò è stato ulteriormente confermato quando il team ha ripetuto i test a una serie di temperature diverse, per modificare la viscosità dei liquidi. A ogni valore di viscosità corrispondeva una specifica velocità di stiramento che induceva la frattura - sempre proporzionale al punto di “stress critico” di 2 megapascal. Alla fine, ciascun campione ha raggiunto una viscosità sufficientemente bassa da non poter essere rotto dall’attrezzatura di prova, che era limitata nella sua velocità di stiramento.
La scoperta è significativa perché, fino ad ora, gli scienziati hanno considerato la frattura come una proprietà dell’elasticità — la capacità di un materiale di trattenere lo stress. In forma liquida, i fluidi semplici non possiedono un meccanismo elastico dominante per immagazzinare stress, quindi quando vengono spinti o tirati, i liquidi scorrono, invece di piegarsi o - fino ad ora - rompersi.
Nei liquidi semplici, il concetto di elasticità è in gran parte irrilevante finché il liquido non viene raffreddato al di sotto della sua “transizione vetrosa”, la temperatura alla quale inizia a comportarsi come un solido. Pertanto, fratturare un liquido semplice - mentre è ancora allo stato liquido - significa chiaramente che il fenomeno della frattura non è limitato ai materiali elastici, secondo i ricercatori.
«Benché i liquidi viscoelastici e polimerici - cose come l’Oobleck (un fluido non newtoniano a base di amido di mais) o lo slime fatto in casa - abbiano dimostrato un comportamento di frattura simile a quello dei solidi, si è sempre pensato che i liquidi semplici mostrassero una deformazione continua a temperature superiori alla loro transizione vetrosa e quindi non si fratturassero», ha detto Lima. «Mostrare che gli effetti viscosi sono sufficienti a promuovere un comportamento di frattura simile a quello dei solidi apre un mondo di nuove domande da esplorare in quest’area di ricerca scientifica».
Il team ha anche compiuto il passo di confrontare un liquido semplice - l’oligomero di stirene liquido - con la sua controparte polimerica. I loro test hanno rivelato che entrambi i liquidi si rompono allo stesso punto di stress critico, il che suggerisce che l’elasticità in realtà non giochi un ruolo nel fenomeno della frattura in un liquido semplice.
«Questo suggerisce che molti altri liquidi elastici potrebbero anch’essi rompersi a un punto di stress critico relativamente simile», ha detto Lima. «Ciò indica un fenomeno relativamente indipendente dalla chimica e possibilmente generalizzabile a un’ampia gamma di liquidi».
Il team prevede di continuare a esplorare il fenomeno della frattura nei liquidi per comprendere i meccanismi fisici che lo producono. I primi indizi hanno suggerito ai ricercatori che potrebbe essere correlato alla cavitazione - una reazione allo stress che comporta la formazione e il rapido collasso di bolle di vapore che inviano onde d’urto attraverso un liquido.
«Ora che abbiamo riportato questo comportamento inatteso, il lavoro di comprendere pienamente perché accade e come il comportamento si manifesti in altri liquidi è un passo successivo importante», ha detto Lima. «Sarà anche interessante vedere come questa scoperta possa essere applicata per assistere la filatura di fibre e altre applicazioni che utilizzano liquidi viscosi».
Oltre a Lima e Alvarez, Stuart E. Smith, Kazem V. Edmond, Manesh Gopinadhan ed Emmanuel Ulysse, della ExxonMobil Technology & Engineering Company, hanno contribuito a questa ricerca.
Riferimenti:
(1) Unexpected Solidlike Fracture in Simple Liquids
(2) Thamires Lima
(3) Nicolas Alvarez
Descrizione foto: Se separato con sufficiente forza per area, un liquido semplice - un liquido che scorre nella forma del suo contenitore - si romperà come un oggetto solido. - Credit: Drexel University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Drexel Researchers Discover Liquids Have a Breaking Point