I liquidi si spezzano in due come i solidi, scoperta inattesa negli USA: “Mi sono spaventato”
Potrebbe sembrare assurdo, ma i ricercatori hanno assistito a un evento totalmente inatteso durante un esperimento: un liquido si è spezzato in due sotto i loro occhi, esattamente come avrebbe fatto un solido. Il fenomeno, fra l’altro, è stato accompagnato da un rumore sordo e secco, tipico di quello di un oggetto che si rompe. Non caso, dopo aver udito quel suono hanno immaginato che si fosse rotto il macchinario con cui stavano conducendo degli esperimenti con un liquido viscoso, tuttavia i controlli e i successivi esperimenti di follow up (con telecamere ad alta velocità) hanno confermato ciò che risulta controintuitivo sulla base dei principi appresi sugli stati della materia. Potete ripassarli con queste slide dell’Università Politecnica delle Marche. In sostanza, un solido ha particelle molto vicine, disposte in modo ordinato e che possono vibrare, mentre il volume è costante e la forma è propria; i liquidi, d’altro canto, hanno particelle sì vicine ma disordinate e in grado di scorrere le une sulle altre, inoltre non hanno una forma propria (assumono quella del recipiente) e il volume è leggermente comprimibile. È alla luce di queste proprietà che i solidi possono contare sull’elasticità, che permette loro di piegarsi fino a raggiungere un punto di stress critico oltre il quale si spezzano. I liquidi, invece, non hanno un meccanismo elastico in grado di far accumulare stress fino alla rottura, proprio in virtù della capacità delle particelle di scorrere le une sulle altre. Eppure l’esperimento condotto in laboratorio ha dimostrato che anche un liquido può spezzarsi.
A scoprire e descrivere questo comportamento del tutto inatteso in un liquido semplice è stato un team di ricerca statunitense guidato da scienziati del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biologica dell’Università Drexel di Philadelphia, che hanno collaborato a stretto contatto con i colleghi di ExxonMobil Technology and Engineering Company. I ricercatori, coordinati dal professor Thamires Lima, stavano conducendo un esperimento di reologia estensionale con dei liquidi catramosi; in pratica, stavano misurando la forza necessaria per far scorrere questi liquidi. Incredibilmente, mentre il macchinario agiva su di essi, i liquidi si sono allungati fino a quando non si sono spezzati all’improvviso, producendo il rumore secco di cui sopra. “Quello che abbiamo osservato era talmente inaspettato che abbiamo dovuto ripetere gli esperimenti diverse volte per essere certi che fosse reale”, ha dichiarato il coautore dello studio Nicolas Alvarez in un comunicato stampa. “Una volta confermato il fenomeno, la ricerca ha assunto una dimensione scientifica completamente diversa”, ha aggiunto l’esperto. “È stata una cosa incredibilmente sorprendente da vedere. La frattura ha provocato un forte schiocco che mi ha davvero spaventato. All’inizio ho pensato che si fosse rotta la macchina, ma poi ho capito che il rumore proveniva dal fluido in stiramento”, gli ha fatto eco il professor Lima.
Il team ha condotto esperimenti con altri liquidi semplici, come l’oligomero di stirene, che ha la stessa viscosità delle miscele di idrocarburi testate in precedenza. Anche questo si è spezzato alla stessa velocità di allungamento, un dettaglio che secondo gli esperti sottolinea l’importanza della viscosità in questo processo di frattura. Lo stress critico con conseguente rottura veniva raggiunto sempre applicando una forza di 2 megapascal. È noto che i liquidi raffreddati che iniziano ad assumere una consistenza simile al vetro possono spezzarsi, ma qui è in atto un processo fisico diverso, che è appunto legato alla viscosità. L’elasticità non c’entra nulla. Ciò significa che altri liquidi semplici potrebbero spezzarsi se sottoposti a una forza analoga. “I nostri risultati dimostrano che, se sottoposto a una forza sufficiente per unità di area, un liquido semplice – un liquido che scorre – raggiungerà quello che definiamo un punto di ‘stress critico’, in cui si fratturerà come un solido. E questo è probabilmente vero per tutti i liquidi semplici, compresi esempi comuni come l’acqua e l’olio”, ha aggiunto il professor Lima.
Il meccanismo alla base non è ancora compreso; tuttavia si sospetta il coinvolgimento della cavitazione, “una reazione di stress che comporta la formazione e il rapido collasso di bolle di vapore, le quali generano onde d’urto attraverso il liquido”, spiega l’esperto. Curiosamente, la cavitazione è quel fenomeno usato dal gambero pistolero per generare un rumore fortissimo sott’acqua, col quale stordisce o uccide la preda. I ricercatori sottolineano che questa scoperta cambia la comprensione della fluidodinamica e può avere applicazioni laddove vengono usati fluidi viscosi. I dettagli della ricerca “Unexpected Solidlike Fracture in Simple Liquids” sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Physical Review Letters.
