Når man tror man har forstått hvordan naturen fungerer, dukker det opp et funn som snur opp ned på etablerte antakelser. Nå har forskere oppdaget at enkle væsker kan ha et bristepunkt der de ikke bare flyter og strekkes, men plutselig sprekker på en måte som minner om faste stoffer.
Oppdagelsen kan få betydning for alt fra avansert produksjon til biologiske prosesser i kroppen. Dersom væsker faktisk kan «knekkes» under visse forhold, kan det påvirke hvordan man modellerer og kontrollerer væskestrømmer i for eksempel 3D-printing, industriell prosessering og medisinske sammenhenger.
Det var et forskerteam fra Drexel University i USA, i samarbeid med ExxonMobil, som gjorde funnet da de undersøkte hvordan tyktflytende væsker reagerer på sterke krefter. I starten trodde de at utstyret hadde sviktet.
– Bruddet ga en veldig høy kneppelyd som faktisk skremte meg, sier kjemiingeniør Thamires Lima ved Drexel University.
For å være sikre på at det ikke var en tilfeldighet, gjentok teamet forsøket flere ganger. Resultatet var det samme.
– Det vi observerte var så uventet, sier kjemiingeniør Nicolas Alvarez ved Drexel University.
– Da vi først bekreftet fenomenet, ble forskningen et helt annet vitenskapelig prosjekt.
Presset væsken til grensen
I eksperimentene ble væsker plassert mellom to metallplater og filmet med høyhastighetskamera, mens forskerne påførte ulike typer belastning. Det første «kneppet» oppsto da væsken ble trukket med en kraft som kan sammenlignes med vekten av en tung last, konsentrert over et svært lite område.
Dette skjedde først i en tjæreaktig hydrokarbonblanding. Senere fant forskerne et tilsvarende bristepunkt i en annen væske, et styren-oligomer, som også var tykk og seig. Det peker mot at viskositet, altså hvor tyktflytende en væske er, kan spille en rolle i hvordan spenningen bygger seg opp.
Forskerne forklarer at spenning kan fordele seg annerledes i tykke, seige væsker enn i mer tyntflytende væsker. Samtidig tyder målingene på at den avgjørende faktoren ikke er hvor raskt man trekker, men hvor stor kraft per areal som til slutt påføres. Med andre ord kan en seig væske sprekke selv ved langsommere trekking, men terskelen ser ut til å ligge på omtrent samme nivå når man ser på belastning per flate.
Kan gjelde langt flere væsker
At væsker kan «sprekke» har tidligere vært kjent i tilfeller der de for eksempel kjøles sterkt ned eller blandes slik at de får spesielle materialegenskaper. Det nye her er at forskerne mener de har påvist en mer generell mekanisme som kan gjelde for enkle væsker.
– Våre funn viser at dersom en enkel væske trekkes fra hverandre med stor nok kraft per areal, vil den nå det vi kaller et punkt med kritisk spenning, der den faktisk sprekker som et fast stoff, sier Lima.
– Og dette gjelder sannsynligvis for alle enkle væsker, også vanlige eksempler som vann og olje.
Sprekker i ekstrem hastighet
Et av de store spørsmålene videre er hvorfor dette skjer. Teamet målte at sprekkene oppsto og utviklet seg svært raskt, med hastigheter på rundt 500 til 1.500 meter i sekundet.
Den hastigheten passer med det som er kjent som kavitasjon, et fenomen som i flere tiår har vært diskutert i teori. Hypotesen er at høy nok spenning kan danne en mikroskopisk vakuumboble inne i væsken, som igjen bidrar til at væsken rives fra hverandre.
Siden prosessen går så fort, blir det utfordrende å observere detaljene direkte. Samtidig mener forskerne at de nå har et tydelig eksperimentelt bevis som gir et bedre utgangspunkt for å forstå mekanismen.
Mulige bruksområder
Forskerne peker også på at neste steg blir å undersøke om og hvordan slike brudd kan oppstå i andre væsker og i mindre kontrollerte omgivelser enn et presist laboratorieoppsett. De mener funnet kan bli relevant for teknologi der væsker må kontrolleres nøyaktig, som blekkstråleprinting og myk robotikk.
Oppdagelsen føyer seg inn i en rekke funn der væsker viser seg å ha flere «skjulte» egenskaper enn man tidligere har tatt høyde for. Med stadig bedre målemetoder og instrumenter kan det fortsatt ligge mange overraskelser i materialene vi omgir oss med hver dag.
– Nå som vi har rapportert denne uventede oppførselen, er det et viktig neste steg å forstå fullt ut hvorfor det skjer, og hvordan det viser seg i andre væsker, sier Lima.
– Det blir også interessant å se hvordan funnet kan brukes til å forbedre fiber-spinning og andre anvendelser som benytter tyktflytende væsker.
Studien er publisert i Physical Review Letters.
