德雷塞尔大学发现颠覆传统流体观念的新现象：会像固体一样突然断裂

美国德雷塞尔大学最新研究发现，在特定条件下，原本应当连续流动的“简单液体”，在被拉伸到足够大的应力时，竟然会像固体一样突然断裂，并伴随清晰的脆性断裂声响。这一发现挑战了人们对液体只能“流动不折断”的传统认知，也为流体在工程和生物系统中的精细控制打开了新的想象空间。

研究团队在与埃克森美孚技术与工程公司合作进行实验时偶然捕捉到这一现象。在一项测量液体在拉伸过程中的力学性质的“伸长流变”测试中，本应像蜂蜜一样逐渐变细拉长的沥青状烃类液体，突然在某一时刻“啪”地一声断开。负责实验的工程学院助理研究教授莉玛（Thamires Lima）回忆说，断裂瞬间的声响大到让她一度以为是仪器损坏，随后才确认声音来自正在被拉伸的液体本身。

为了验证这并非偶发现象，研究人员多次重复了实验，并用高速摄像机记录下整个过程。画面显示，这些高黏度液体在被拉伸时先是逐渐变细，随后在达到某一临界应力点后突然发生类似固体的“脆性断裂”，而不是像普通液滴那样缓慢颈缩并断开。此前，这种典型的脆性断裂行为主要在固体材料中被观察到，在仍处于液态、且被归类为“简单液体”的体系中从未有过明确记录。

研究显示，这类沥青状烃类液体在约 2 兆帕的临界应力下会发生断裂。研究人员形象地将这一应力类比为：一只装有大约 10 块砖头的洗衣袋在下坠时，绳带突然卡在手指甲上的那种拉扯感觉。为了进一步厘清机制，团队选用了另一种具有相同黏度的简单液体——苯乙烯低聚物，在相同条件下进行测试，结果同样在接近 2 兆帕的应力水平上发生突然断裂。这一结果指向黏度在其中扮演关键角色，暗示许多简单液体可能共享类似的断裂“阈值”。

在随后的实验中，研究人员通过改变温度来调控液体黏度，并在不同黏度下寻找对应的断裂条件。结果表明，在各个黏度水平上，总能找到一个特定的拉伸速率，使液体在接近同一 2 兆帕的“临界应力”点发生断裂。当黏度被降到足够低时，由于实验设备的拉伸速度上限限制，液体不再能被拉到断裂点，这也从侧面印证了黏度与断裂行为之间的紧密关联。

长期以来，材料发生断裂通常被认为与“弹性”密切相关，即材料能在不立即流动的前提下储存和承受应力。而简单液体在经典认识中并不储存应力，外力一施加就通过流动来释放，因此不会像固体那样弯曲或折断。一般只有在液体被冷却到低于“玻璃化转变温度”——开始表现出类似固体的玻璃态行为时，人们才会讨论其中的断裂问题。此次在完全处于液态的简单液体中观察到脆性断裂，说明断裂并非弹性材料的“专利”。

此前，一些具有明显黏弹性或高分子结构的复杂液体，如“乌布莱克”这类非牛顿流体或自制黏液，被证实在特定条件下会出现固体般的断裂行为。但科研界一直认为，处于高于玻璃化转变温度的简单液体只会持续变形而不会脆裂。此次德雷塞尔大学的工作表明，单靠黏性效应本身，就足以促成类似固体的断裂模式，这为流体力学和材料科学提出了大量新问题。

为了排除弹性因素，研究团队还比较了苯乙烯低聚物这一简单液体与其高分子对应物的表现。结果显示，两者在相近的实验条件下均在类似的临界应力水平上发生断裂。这表明，对于简单液体而言，引发断裂的并非高分子体系特有的弹性机制，而更可能是与黏性主导的流变行为相关。研究人员据此推测，许多其他具有弹性特征的液体，也很可能在接近这一应力量级时出现相似的断裂现象，这种行为可能在化学成分上具有相当的“普适性”。

关于驱动这一现象的物理根源，团队目前仍在深入探索之中。初步证据显示，所谓“空化”过程可能参与其中：液体内部形成微小气泡并快速塌缩，从而在局部产生冲击波或应力集中，最终引发断裂。研究人员表示，接下来将系统考察不同液体体系中的相同行为，厘清其是否遵循统一的物理机制。

这一发现不仅在基础科学层面重塑了人们对液体在高应力状态下行为模式的理解，也为技术应用带来潜在启示。在液压系统、增材制造（如 3D 打印）以及纤维纺丝等依赖高黏度液体精确成形与输送的工艺中，掌握液体何时会“像固体一样断裂”的临界条件，有望帮助工程师优化工艺窗口、避免失效或反向加以利用。在生物流体领域，类似的机理也可能影响高黏度体液在极端应力下的行为，例如血液在狭窄病变血管中的流动稳定性等。

论文《简单液体中意想不到的类固体断裂》（“Unexpected Solidlike Fracture in Simple Liquids”）已于 2026 年 3 月 26 日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。研究团队指出，随着这一“出乎意料的行为”被正式报道，如何在更广泛的液体体系中确认、量化并加以利用，将成为未来一段时间内的重要研究方向。