德雷塞爾大學發現顛覆傳統流體觀念的新現象：會像固體一樣突然斷裂

美國德雷塞爾大學最新研究發現，在特定條件下，原本應當連續流動的“簡單液體”，在被拉伸到足夠大的應力時，竟然會像固體一樣突然斷裂，并伴隨清晰的脆性斷裂聲響。這一發現挑戰了人們對液體只能“流動不折斷”的傳統認知，也為流體在工程和生物系統中的精細控制打開了新的想象空間。

研究團隊在與埃克森美孚技術與工程公司合作進行實驗時偶然捕捉到這一現象。在一項測量液體在拉伸過程中的力學性質的“伸長流變”測試中，本應像蜂蜜一樣逐漸變細拉長的瀝青狀烴類液體，突然在某一時刻“啪”地一聲斷開。負責實驗的工程學院助理研究教授莉瑪（Thamires Lima）回憶說，斷裂瞬間的聲響大到讓她一度以為是儀器損壞，隨后才確認聲音來自正在被拉伸的液體本身。

為了驗證這并非偶發現象，研究人員多次重復了實驗，并用高速攝像機記錄下整個過程。畫面顯示，這些高黏度液體在被拉伸時先是逐漸變細，隨后在達到某一臨界應力點后突然發生類似固體的“脆性斷裂”，而不是像普通液滴那樣緩慢頸縮并斷開。此前，這種典型的脆性斷裂行為主要在固體材料中被觀察到，在仍處于液態、且被歸類為“簡單液體”的體系中從未有過明確記錄。

研究顯示，這類瀝青狀烴類液體在約 2 兆帕的臨界應力下會發生斷裂。研究人員形象地將這一應力類比為：一只裝有大約 10 塊磚頭的洗衣袋在下墜時，繩帶突然卡在手指甲上的那種拉扯感覺。為了進一步厘清機制，團隊選用了另一種具有相同黏度的簡單液體——苯乙烯低聚物，在相同條件下進行測試，結果同樣在接近 2 兆帕的應力水平上發生突然斷裂。這一結果指向黏度在其中扮演關鍵角色，暗示許多簡單液體可能共享類似的斷裂“閾值”。

在隨后的實驗中，研究人員通過改變溫度來調控液體黏度，并在不同黏度下尋找對應的斷裂條件。結果表明，在各個黏度水平上，總能找到一個特定的拉伸速率，使液體在接近同一 2 兆帕的“臨界應力”點發生斷裂。當黏度被降到足夠低時，由于實驗設備的拉伸速度上限限制，液體不再能被拉到斷裂點，這也從側面印證了黏度與斷裂行為之間的緊密關聯。

長期以來，材料發生斷裂通常被認為與“彈性”密切相關，即材料能在不立即流動的前提下儲存和承受應力。而簡單液體在經典認識中并不儲存應力，外力一施加就通過流動來釋放，因此不會像固體那樣彎曲或折斷。一般只有在液體被冷卻到低于“玻璃化轉變溫度”——開始表現出類似固體的玻璃態行為時，人們才會討論其中的斷裂問題。此次在完全處于液態的簡單液體中觀察到脆性斷裂，說明斷裂并非彈性材料的“專利”。

此前，一些具有明顯黏彈性或高分子結構的復雜液體，如“烏布萊克”這類非牛頓流體或自制黏液，被證實在特定條件下會出現固體般的斷裂行為。但科研界一直認為，處于高于玻璃化轉變溫度的簡單液體只會持續變形而不會脆裂。此次德雷塞爾大學的工作表明，單靠黏性效應本身，就足以促成類似固體的斷裂模式，這為流體力學和材料科學提出了大量新問題。

為了排除彈性因素，研究團隊還比較了苯乙烯低聚物這一簡單液體與其高分子對應物的表現。結果顯示，兩者在相近的實驗條件下均在類似的臨界應力水平上發生斷裂。這表明，對于簡單液體而言，引發斷裂的并非高分子體系特有的彈性機制，而更可能是與黏性主導的流變行為相關。研究人員據此推測，許多其他具有彈性特征的液體，也很可能在接近這一應力量級時出現相似的斷裂現象，這種行為可能在化學成分上具有相當的“普適性”。

關于驅動這一現象的物理根源，團隊目前仍在深入探索之中。初步證據顯示，所謂“空化”過程可能參與其中：液體內部形成微小氣泡并快速塌縮，從而在局部產生沖擊波或應力集中，最終引發斷裂。研究人員表示，接下來將系統考察不同液體體系中的相同行為，厘清其是否遵循統一的物理機制。

這一發現不僅在基礎科學層面重塑了人們對液體在高應力狀態下行為模式的理解，也為技術應用帶來潛在啟示。在液壓系統、增材制造（如 3D 打印）以及纖維紡絲等依賴高黏度液體精確成形與輸送的工藝中，掌握液體何時會“像固體一樣斷裂”的臨界條件，有望幫助工程師優化工藝窗口、避免失效或反向加以利用。在生物流體領域，類似的機理也可能影響高黏度體液在極端應力下的行為，例如血液在狹窄病變血管中的流動穩定性等。

論文《簡單液體中意想不到的類固體斷裂》（“Unexpected Solidlike Fracture in Simple Liquids”）已于 2026 年 3 月 26 日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究團隊指出，隨著這一“出乎意料的行為”被正式報道，如何在更廣泛的液體體系中確認、量化并加以利用，將成為未來一段時間內的重要研究方向。