과학자들은 액체를 늘렸더니 고체처럼 찰칵 소리가 났습니다.

이 발견은 점도, 즉 흐름에 대한 액체의 저항이 과학자들이 이전에 믿었던 것보다 기계적 거동에서 훨씬 더 큰 역할을 한다는 것을 시사합니다. 또한 수력학 및 3D 프린팅부터 신체의 혈류에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 액체를 제어하는 ​​새로운 방법의 문을 열어줍니다.

“우리의 연구 결과는 흐르는 액체인 단순한 액체가 영역당 충분한 힘으로 분리되면 실제로 고체처럼 부서지는 ‘임계 응력’ 지점에 도달한다는 것을 보여줍니다. 이는 물과 기름과 같은 일반적인 예를 포함한 모든 단순한 액체에 해당될 가능성이 높습니다.”라고 연구를 주도한 Drexel 공과대학의 연구 조교수인 Thamires Lima 박사는 말했습니다. “이것은 유체 역학에 대한 우리의 이해를 근본적으로 변화시킵니다.”

테스트 중 놀라운 순간

Lima와 그녀의 팀이 ExxonMobil Technology & Engineering Company와 협력하여 두 가지 간단한 액체를 연구하는 동안 이 발견은 예기치 않게 이루어졌습니다. 액체 흐름을 만드는 데 얼마나 많은 힘이 필요한지 측정하는 인장 유변학 테스트에서 연구원들은 특이한 것을 발견했습니다. 꿀처럼 늘어나거나 묽어지는 대신, 타르 같은 액체가 갑자기 부서졌습니다.

연구실을 주도한 공과대학 교수인 니콜라스 알바레즈(Nicolas Alvarez) 박사는 “우리가 관찰한 것은 너무 예상치 못한 일이어서 그것이 진짜인지 확인하기 위해 실험을 몇 번 더 반복해야 했습니다”라고 말했습니다. “우리가 현상을 확인하자 연구는 완전히 다른 과학적 노력이 되었습니다.”

고속 카메라를 사용하여 팀은 고체 물질에서 일반적으로 볼 수 있는 동작을 포착했습니다. 늘어나면 고체는 임계 응력 지점에 도달할 때까지 늘어나다가 취성 파괴라고 알려진 과정에서 갑자기 부서집니다. 연구원들에 따르면, 이러한 유형의 균열은 이전에 단순한 액체에서 관찰된 적이 없었습니다.

리마는 “이것은 믿을 수 없을 만큼 놀라운 일이었다”고 말했다. “골절로 인해 매우 시끄러운 찰칵 소리가 나서 깜짝 놀랐습니다. 처음에는 기계가 고장난 줄 알았으나 곧 그 소리가 스트레칭 유체에서 나온 것임을 깨달았습니다.”

점도 및 임계 파괴점

이러한 행동을 보이는 첫 번째 액체는 타르와 같은 탄화수소 혼합물이었는데, 이는 2메가파스칼의 임계 응력에서 부서졌습니다. 대략 10개의 벽돌로 채워진 세탁 가방이 떨어지는 동안 손톱에 걸릴 때 느낄 수 있는 힘과 비슷합니다.

더 자세히 알아보기 위해 연구진은 동일한 점도를 갖는 또 다른 간단한 액체인 스티렌 올리고머를 테스트했습니다. 이는 동일한 신장 조건에서 파손되었으며, 이는 점도가 고체와 ​​같은 파손 거동의 핵심 요소임을 나타내며 많은 단순한 액체가 유사한 파손점을 공유할 수 있음을 시사합니다.

그런 다음 팀은 점도를 변경하기 위해 온도를 조정했습니다. 각 수준에서 그들은 항상 동일한 2메가파스칼 임계 응력에 묶여 있는 골절을 유발하는 특정 스트레칭 속도를 발견했습니다. 낮은 점도에서는 테스트 장비가 액체를 충분히 빠르게 늘릴 수 없기 때문에 액체가 부서질 수 없습니다.

오랫동안 유지되어 온 가정에 도전하다

지금까지 파괴는 응력을 저장하고 견디는 재료의 능력인 탄성의 특성으로 간주되었습니다. 그러나 단순한 액체는 일반적으로 이런 방식으로 응력을 저장하지 않습니다. 대신, 힘이 가해지면 구부러지거나 부러지지 않고 흐릅니다.

대부분의 경우, 탄성은 액체가 고체처럼 행동하기 시작하는 “유리 전이” 지점 아래로 냉각될 때만 중요해집니다. 아직 완전히 액체 상태인 액체의 파손을 관찰하면 파손이 탄성 재료에만 국한되지 않는다는 것을 알 수 있습니다.

Lima는 “Oobleck이나 수제 점액과 같은 점탄성 및 고분자 액체가 고체와 ​​같은 파괴 거동을 보여주었지만 단순한 액체는 항상 유리 전이 이상의 온도에서 지속적인 변형을 나타내므로 파괴되지 않는 것으로 생각되어 왔습니다.”라고 Lima는 말했습니다. “점성 효과가 고체와 ​​같은 파괴 거동을 촉진하기에 충분하다는 것을 보여주는 것은 이 과학적 탐구 분야에서 탐구해야 할 새로운 질문의 세계를 열어줍니다.”

광범위하고 예상치 못한 현상

연구진은 또한 간단한 액체인 올리고머 스티렌을 관련 폴리머 액체와 비교했습니다. 둘 다 동일한 임계 응력 지점에서 파손되었으며, 이는 탄성이 단순 액체의 파손 거동에 책임이 없음을 시사합니다.

“이것은 다른 많은 탄성 액체도 상대적으로 유사한 임계 응력 지점에서 파손될 수 있음을 시사합니다”라고 Lima는 말했습니다. “이것은 상대적으로 화학적으로 독립적이며 광범위한 액체에 일반화할 수 있는 현상을 가리킵니다.”

액체가 파손되는 원인

연구팀은 이런 일이 발생하는 이유와 그 영향이 얼마나 널리 퍼질 수 있는지 계속 조사할 계획입니다. 초기 증거는 캐비테이션(작은 증기 기포가 빠르게 형성되고 붕괴되어 액체 내에서 충격파를 생성하는 과정)을 가능한 설명으로 지적합니다.

Lima는 “이제 우리는 이러한 예상치 못한 행동을 보고했으며, 이것이 왜 발생하는지, 다른 액체에서 이러한 행동이 어떻게 나타나는지를 완전히 이해하는 작업이 중요한 다음 단계”라고 말했습니다. “이 발견이 섬유 방사 및 점성 액체를 사용하는 기타 응용 분야를 지원하기 위해 어떻게 적용될 수 있는지 보는 것도 흥미로울 것입니다.”