En un descubrimiento sorprendente que podría remodelar la mecánica de fluidos, investigadores de la Universidad de Drexel han demostrado que, bajo ciertas condiciones, un fluido ordinario puede comportarse como un sólido y fracturarse. Investigación, publicada carta de revisión físicademostró que los líquidos viscosos pueden romperse repentinamente cuando se estiran con suficiente fuerza.
Este hallazgo sugiere que la viscosidad, o la resistencia de un fluido a fluir, juega un papel mucho más importante en su comportamiento mecánico de lo que los científicos creían anteriormente. Esto abre la puerta a nuevas formas de controlar fluidos en aplicaciones que van desde la hidráulica y la impresión 3D hasta el flujo sanguíneo del cuerpo.
“Nuestros hallazgos muestran que si cada región está separada por suficiente fuerza, un fluido simple, un fluido que fluye, alcanzará lo que llamamos una ‘presión crítica’, cuando en realidad se forma como un sólido. Y eso probablemente sea cierto para todos los fluidos comunes, incluidos ejemplos comunes como el agua y el petróleo”, dijo Thamires Lima, PhD, profesor asistente de investigación en la Facultad de Investigación, coautor del estudio. “Esto cambia fundamentalmente nuestra comprensión de la dinámica de fluidos”.
Una instantánea increíble durante la prueba.
El descubrimiento inesperado se produjo mientras Lima y su equipo estudiaban dos fluidos comunes en colaboración con ExxonMobil Technology and Engineering Company. Durante una prueba de reología extendida, que mide cuánta energía se necesita para hacer fluir un fluido, los investigadores hicieron algunas observaciones inusuales. En lugar de expandirse y adelgazarse como la miel, los líquidos parecidos al alquitrán se separaron repentinamente.
“Lo que observamos fue tan inesperado que tuvimos que repetir los experimentos varias veces más para asegurarnos de que fuera real”, dijo Nicolás Álvarez, Ph.D., profesor de la Facultad de Ingeniería, cuyo laboratorio realizó la investigación. “Una vez que confirmamos el fenómeno, el estudio se convirtió en un esfuerzo científico completamente diferente”.
Utilizando una cámara de alta velocidad, el equipo capturó el comportamiento que normalmente se observa en los sólidos. Cuando se estiran, los sólidos se alargan hasta alcanzar un punto de tensión crítico y luego se rompen repentinamente en un proceso conocido como fractura frágil. Según los investigadores, este tipo de fractura nunca antes se había visto en un líquido simple.
“Fue algo increíblemente sorprendente de ver”, dijo Lima. “La fractura produjo un chasquido muy fuerte que realmente me sobresaltó. Al principio pensé que la máquina se había roto, pero pronto me di cuenta de que el sonido se debía a la expansión del fluido”.
Viscosidad y punto de rotura crítico.
Los primeros líquidos que exhibieron este comportamiento fueron mezclas de hidrocarburos similares al alquitrán, que se descomponen a presiones críticas de 2 megapascales, aproximadamente la fuerza que sentirías si una bolsa de lavandería llena de 10 ladrillos se atascara en tu uña al caer.
Para explorar más a fondo, los investigadores probaron otro líquido común, el oligómero de estireno, con la misma viscosidad. Se rompió bajo las mismas condiciones de estiramiento, lo que indica que la viscosidad es un factor clave en este comportamiento de ruptura similar al de un sólido y sugiere que muchos líquidos comunes pueden compartir puntos de ruptura similares.
Luego, el equipo ajustó la temperatura para cambiar la viscosidad. En cada capa, encontraron una tasa de deformación específica que desencadenaba la fractura, siempre ligada a la misma tensión crítica de 2 MPa. A viscosidades bajas, los líquidos no se podían romper porque el equipo de prueba no podía expandirlos lo suficientemente rápido.
Supuestos desafiantes de retención prolongada
Hasta ahora, la fractura se ha considerado una propiedad de la elasticidad, que es la capacidad de un material para resistir el almacenamiento y la tensión. Sin embargo, los fluidos comunes no suelen almacenar presión de esta manera. En cambio, fluyen cuando se aplica fuerza en lugar de doblarse o romperse.
En la mayoría de los casos, la elasticidad sólo es relevante cuando un líquido se enfría por debajo de su “transición vítrea”, donde comienza a comportarse como un sólido. La observación de la fractura en fluidos que todavía están completamente en su estado líquido muestra que la fractura no se limita a los materiales elásticos.
“Si bien los líquidos viscoelásticos y poliméricos, como Oobleck o limo casero, han mostrado un comportamiento de fractura similar al de un sólido, siempre se ha pensado que los líquidos ordinarios exhiben una deformación continua a temperaturas superiores a su transición vítrea y, por lo tanto, no se fracturan”, dijo Lima. “Demostrar que los efectos viscosos son suficientes para promover un comportamiento de fractura similar al de un sólido abre un mundo de nuevas preguntas para explorar en esta área de investigación científica”.
Un acontecimiento generalizado e inesperado
Los investigadores compararon un líquido común, el oligómero estireno, con un líquido polimérico relacionado. Ambos se fracturan en el mismo punto de tensión crítico, lo que sugiere que la elasticidad no es responsable del comportamiento de fractura en fluidos simples.
“Esto sugiere que muchos otros fluidos elásticos pueden romperse en puntos de tensión críticos relativamente similares”, dijo Lima. “Esto indica un fenómeno que es relativamente independiente de la química y posiblemente generalizable a una amplia gama de líquidos”.
¿Qué causa la fractura de fluido?
El equipo planea continuar investigando por qué sucede esto y qué tan extendido podría ser el impacto. Las primeras pruebas apuntan a la cavitación (un proceso en el que se forman pequeñas burbujas de vapor que colapsan rápidamente, creando ondas de choque en el líquido) como una posible explicación.
“Ahora que hemos informado de este comportamiento inesperado, el siguiente paso importante es comprender completamente por qué ocurre y cómo se manifiesta el comportamiento en otros fluidos”, dijo Lima. “También será interesante ver cómo se puede aplicar este hallazgo para ayudar al hilado de fibras y otras aplicaciones que utilizan fluidos viscosos”.
