Quando un liquido si spezza come un solido: la scoperta che riscrive le regole della fisica dei fluidi
La frattura dei liquidi non era qualcosa che la scienza riteneva possibile. Eppure un gruppo di ricercatori della Drexel University ha dimostrato esattamente il contrario: sotto determinate condizioni di stress, anche un liquido semplice può spezzarsi di netto, proprio come farebbe un pezzo di metallo. Una scoperta pubblicata sulla rivista Physical Review Letters che ha colto di sorpresa persino chi l’ha fatta.
Il tutto è nato quasi per caso. Il team guidato da Thamires Lima e Nicolas Alvarez stava analizzando due liquidi semplici, simili al catrame, nell’ambito di una collaborazione con ExxonMobil. Durante un test di reologia estensionale, che serve a misurare la forza necessaria per far scorrere un fluido, è successo qualcosa di anomalo. Invece di assottigliarsi gradualmente come ci si aspetterebbe, i liquidi si sono spezzati all’improvviso, con un rumore secco e forte. Lima ha raccontato di essersi spaventata, pensando inizialmente che si fosse rotto lo strumento. E invece no: era il fluido che si era fratturato.
Con una telecamera ad alta velocità, i ricercatori hanno catturato un comportamento tipico dei materiali solidi. La cosiddetta frattura fragile, quel fenomeno per cui un materiale si allunga fino a raggiungere un punto critico e poi cede di colpo, era stata osservata per la prima volta in un liquido puro, non in un polimero o in una sostanza viscoelastica.
Il ruolo della viscosità: non serve l’elasticità per rompersi
Fino a oggi la comunità scientifica associava la frattura esclusivamente all’elasticità, cioè alla capacità di un materiale di accumulare e resistere allo stress meccanico. I liquidi semplici, per definizione, non accumulano stress: scorrono. Questo rendeva impensabile che potessero fratturarsi. Ma gli esperimenti della Drexel University hanno dimostrato che è la viscosità il fattore determinante. È la resistenza al flusso, non la capacità di immagazzinare energia, a rendere possibile questa rottura.
Per verificare l’ipotesi, il team ha testato un altro liquido semplice, lo stirene oligomero, con la stessa viscosità dei primi campioni. Anche questo si è spezzato nelle stesse condizioni, raggiungendo un punto critico di 2 megaPascal. Modificando la temperatura per variare la viscosità, i ricercatori hanno trovato ogni volta un tasso di stiramento specifico capace di innescare la frattura, sempre legato alla stessa soglia di stress critico. Quando la viscosità era troppo bassa, la strumentazione non riusciva a stirare il liquido abbastanza velocemente da provocare la rottura.
Un confronto tra lo stirene oligomero e un liquido polimerico correlato ha mostrato che entrambi si rompevano allo stesso punto critico. Questo suggerisce che il fenomeno non dipende dalla chimica specifica del materiale, ma potrebbe essere generalizzabile a una vasta gamma di liquidi, acqua e olio compresi.
Cosa significa per il futuro della meccanica dei fluidi
Le implicazioni sono enormi. Se davvero tutti i liquidi semplici possono fratturarsi sotto sufficiente stress, occorre ripensare modelli e applicazioni in ambiti come l’idraulica, la stampa 3D e persino lo studio del flusso sanguigno. Il team sta ora indagando le cause profonde del fenomeno. Una delle ipotesi più promettenti chiama in causa la cavitazione, quel processo in cui microscopiche bolle di vapore si formano e collassano rapidamente, generando onde d’urto all’interno del fluido.
Lima ha sottolineato come il prossimo passo sarà capire quanto sia diffuso questo comportamento e se possa essere sfruttato in processi industriali come la filatura delle fibre. Quello che è certo è che la frattura dei liquidi non è più un’ipotesi assurda. È un fatto sperimentale, documentato e ripetibile, che costringe la fisica dei fluidi a fare i conti con qualcosa di davvero inatteso.
