塔米雷斯·利马（Thamires Lima）是德雷克塞尔大学化学工程的研究教授，她研究浓稠液体的性质——可以想象成蜂蜜或糖蜜，虽然在实验室里你更可能看到聚丙烯或原油。通过一种称为拉伸流变学的方法，利马在金属板之间拉伸液体，以找出使其流动的力。几年前，她在与埃克森美孚公司合作的项目中进行测试时，听到了一声短促而尖锐的裂声。利马说：“我以为是机器的声音。”但裂声来源于机器所拉动的流体：一种粘稠的黑色氢碳混合物。流体没有拉伸，而是发生了断裂。已知某些弹性复杂流体在特定条件下会发生断裂，而这种流体在某些条件下可以像固体一样。但利马所研究的是一种非弹性的简单流体。即使几乎没有弹性，它在应力下也发生了断裂。宾夕法尼亚大学的流体物理学家阿诺德·马提森（Arnold Mathijssen）说：“没有人预料到这种简单流体会出现这种情况，因为粘度通常只是重新排列分子。你不会期望它会裂开。但是它确实发生了，所以我觉得这真是令人惊讶。” 脆性断裂 利马一次又一次地拉伸液体，以证明意外的裂声不是偶然。“每次她测量的时候，材料都会断裂，”德雷克塞尔大学化学工程教授尼古拉斯·阿尔瓦雷斯（Nicolas J. Alvarez）说，他的实验室主导了这项研究。“它会发出巨大的噼啪声。我是说，就像你拉动并拉伸一根橡皮筋，然后它断了。” 确信这种断裂不是偶然，利马和阿尔瓦雷斯使用高速摄像机更仔细地观察这一现象。他们意识到，这种断裂本质上是一种“脆性断裂”，你可能在掉落玻璃或瓷器时会看到这种现象。脆性断裂发生在具有弹性的脆性固体上。对玻璃或瓷器施加一定压力，它会有轻微的形变，然后——如果你没有将其推过断裂点——一旦去除压力，它会恢复到正常状态。然而，固体从来不是完美的。在大多数情况下，脆性固体会有微小的缺陷——一个在纳米级别的裂缝。一旦固体受到超过关键点的应力，固体变得更容易通过扩展裂缝而不是弹性存储应力。在那时，裂缝会以灾难性的方式快速扩展，迅速摧毁固体。一些被称为粘弹性液体的复杂流体也有弹性。例如，聚合物熔体——塑料中聚合物的熔融版本——由长链分子组成，这些分子彼此缠绕并增加材料的弹性成分。在2016年的《物理评论快报》论文中，阿尔瓦雷斯及其同事表明，像熔化的聚苯乙烯这样的复杂流体可以以与固体有时相同的方式发生断裂。“我们一直认为弹性是这种固体断裂的前提，对吧？”阿尔瓦雷斯说。因此，他们理论化了弹性也与液体的断裂相关。但利马所研究的碳氢化合物混合物是一种简单流体。简单流体存储的弹性能量很少。当它们超出极限被推动或拉动时，通常不会弯曲或断裂——它们会流动。因此，也许关于液体断裂的旧理论是错误的。“如果在问题中没有弹性，那么你怎么能考虑裂缝的产生或增长呢？”来自印度班加罗尔国际理论科学中心的流体力学物理学家布拉托·查克拉巴尔蒂（Brato Chakrabarti）说。碳氢化合物混合物的裂裂使研究人员回顾了明尼苏达大学机械工程师丹尼尔·D·约瑟夫（Daniel D. Joseph）的论文。在1995年和1998年，约瑟夫提出，任何液体，无论其弹性如何，都可能在足够的撕裂应力下发生断裂。阿尔瓦雷斯想知道液体的断裂点是否与弹性等特性无关，而与液体结构更根本的东西有关。“也许，真的许多，导致[某些]流体断裂的东西……与保持分子在一起的内聚能有关，”他说。 一次气泡破裂 简单流体确实有一种释放应力的方法，无需断裂：它们在一种称为汽化的过程中形成分子间的空隙（气泡）。例如，如果在简单流体中，螺旋桨的刀片快速旋转，则刀片一侧的流体可以比另一侧的流体快速波动，从而导致该侧的压力下降。这一下降可能导致液体发生汽化。工程师们努力避免这种情况，因为一旦那些气泡崩溃，就会产生冲击波，从而损坏螺旋桨和泵。在他1990年代的论文中，约瑟夫预测汽化将使简单流体发生断裂。