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

然而，在一項新發(fā)表于《物理評論快報》的研究中，一個研究團隊發(fā)現(xiàn)：在適當條件下，可以使一種簡單液體像固體一樣發(fā)生斷裂。他們的研究結(jié)果表明，當受到足夠強的拉伸作用時，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單液體，包括水和油等常見液體。

意外的斷裂

這是一項意料之外的發(fā)現(xiàn)。一開始，研究人員正在測量兩種簡單液體的性質(zhì)。在進行拉伸流變測試（即測量使液體發(fā)生流動所需力的實驗）時，這些類似焦油的液體并沒有出現(xiàn)像一團蜂蜜被倒入水中時所熟悉的那種逐漸拉細、變薄的過程，而是出人意料地以一種“啪”的方式突然斷開了。

起初，研究人員以為是機器壞了，但很快他們意識到聲音其實來自正在被拉伸的液體。在此進行了多次重復(fù)實驗后，他們確認了這種意外現(xiàn)象的真實性。在那之后，他們的整個研究就轉(zhuǎn)向了一個完全不同的科學(xué)問題。

液體也會脆性斷裂

通過高速攝像機記錄實驗過程，研究團隊觀察到一種通常只在固體材料（如金屬）受到拉伸時才會出現(xiàn)的行為：在某一時刻，材料會先發(fā)生拉伸，直到達到臨界應(yīng)力點，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氫化合物混合物，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，研究團隊使用了另一種簡單液體重復(fù)了實驗。這種液體是苯乙烯寡聚體，其黏度與之前的碳氫化合物混合物相同。

在研究一種類似焦油的簡單液體時，研究人員發(fā)現(xiàn)只要施加足夠大的拉伸力，這種液體就會像固體一樣發(fā)生斷裂。進一步研究結(jié)果表明，這一現(xiàn)象可能適用于所有簡單液體。（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，并暗示所有簡單液體可能具有類似的斷裂閾值。

當研究團隊在一系列不同溫度下重復(fù)實驗、以改變液體黏度時，這一點得到了進一步驗證。在每一種黏度下，都存在一個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，當黏度降低到一定程度后，由于實驗設(shè)備的拉伸率有限，已無法再使樣品發(fā)生斷裂。

斷裂未必依賴彈性

這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因為在此之前，科學(xué)家通常將斷裂視為一種源于彈性的性質(zhì)——即材料承受并儲存應(yīng)力的能力。

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

對于簡單液體而言，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，即開始呈現(xiàn)固體特性的溫度。因此，在仍處于液態(tài)時觀察到簡單液體發(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。

在進一步的實驗中，研究團隊還將苯乙烯低聚物和與其對應(yīng)的聚合物液體進行了比較。實驗結(jié)果表明，兩種液體都在相同的臨界應(yīng)力點發(fā)生斷裂，這意味著彈性在簡單液體的斷裂過程中實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。

機制與意義

研究團隊計劃繼續(xù)研究液體斷裂現(xiàn)象，以揭示其背后的物理機制，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)家對流體動力學(xué)的理解，并有望為液體的操控方式帶來新的可能性，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領(lǐng)域。

#參考來源：

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

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：AnthonyArnaud / Pixabay