En un hallazgo que podría redefinir la mecánica de fluidos, investigadores de la Universidad Drexel han demostrado que un líquido simple puede comportarse como un sólido y fracturarse. El estudio, publicado en Physical Review Letters, indica que los líquidos viscosos pueden romperse abruptamente cuando se estiran con suficiente fuerza. Este descubrimiento sugiere que la viscosidad influye en el comportamiento mecánico de los fluidos de manera más significativa de lo que se creía anteriormente.
Un hallazgo inesperado
El equipo, en colaboración con ExxonMobil Technology & Engineering Company, realizó pruebas de reología extensional para medir la fuerza necesaria para hacer fluir el líquido. Durante los experimentos, observaron que los líquidos tipo alquitrán se rompían repentinamente en lugar de estirarse y adelgazarse como la miel. Nicolas Alvarez, profesor del College of Engineering, confirmó que el fenómeno fue tan inesperado que tuvieron que repetir los ensayos varias veces.
Los investigadores utilizaron una cámara de alta velocidad para capturar un comportamiento típico de materiales sólidos bajo tensión. Cuando se estiraron, los líquidos alcanzaron un punto de tensión crítica antes de romperse en un proceso conocido como fractura frágil. Según los científicos, este tipo de fractura nunca se había observado previamente en un líquido simple.
Thamires Lima, profesora de investigación asistente, explicó que la ruptura causó un ruido fuerte que sorprendió al equipo inicial. "Nuestros hallazgos muestran que si se separan con suficiente fuerza por área, un líquido simple alcanzará lo que llamamos un punto de 'tensión crítica', cuando en realidad se fracturará como un sólido," dijo Lima.
Los primeros líquidos en exhibir este comportamiento fueron mezclas de hidrocarburos tipo alquitrán, que se fracturaron a una tensión crítica de 2 megapascales. Para explorar más, probaron otro líquido simple, el oligómero de estireno, con la misma viscosidad y observaron la misma ruptura bajo condiciones similares. Esto indica que la viscosidad es un factor clave en este comportamiento de ruptura similar al sólido.
Implicaciones para la ciencia
Hasta ahora, la fractura se consideraba una propiedad de la elasticidad, que es la capacidad de un material para almacenar y resistir el estrés. Los líquidos simples no suelen almacenar estrés de esta manera y fluyen cuando se aplica fuerza en lugar de doblarse o romperse. Observar la fractura en líquidos que aún están completamente en su estado líquido muestra que romper no se limita a materiales elásticos.
El equipo comparó un líquido simple con un líquido polimérico relacionado y ambos se rompieron en el mismo punto de tensión crítica. Esto sugiere que la elasticidad no es responsable del comportamiento de fractura en los líquidos simples y que el fenómeno es independiente de la química. Muchos otros líquidos elásticos podrían romperse en un punto de tensión crítica relativamente similar.
Los investigadores planean continuar investigando por qué ocurre esto y qué tan generalizado puede ser el efecto. La evidencia temprana apunta a la cavitación, un proceso donde pequeñas burbujas de vapor se forman y colapsan rápidamente, generando ondas de choque dentro del líquido. Entender completamente por qué sucede y cómo se manifiesta en otros líquidos es un paso importante para el futuro.
Este hallazgo abre la puerta a nuevas formas de controlar líquidos en aplicaciones que van desde la hidráulica hasta la impresión 3D. También podría tener implicaciones para el flujo sanguíneo en el cuerpo humano y otros procesos biológicos. La comunidad científica ahora tiene nuevas preguntas para explorar en esta área de investigación física.
La comprensión de cómo los líquidos pueden fracturarse bajo tensión podría transformar la ingeniería de materiales y la física de fluidos. Los próximos pasos incluyen verificar si este fenómeno es generalizable a una gama más amplia de líquidos y condiciones. Es crucial monitorear cómo se aplicará este conocimiento en la industria y la ciencia básica.
