نحن نعلم أن السوائل البسيطة يمكن أن تتدفق. تبين أن البعض يمكن أن ينكسر
يدرس ثاميريس ليما، أستاذ باحث في الهندسة الكيميائية بجامعة دريكسيل، خصائص السوائل السميكة اللزجة – مثل العسل أو دبس السكر، على الرغم من أنه من المرجح أن تجد مادة البولي بروبيلين أو النفط الخام في المختبر. وباستخدام طريقة تسمى الريولوجيا الممتدة، تقوم ليما بتمديد السوائل بين الصفائح المعدنية للعثور على القوة التي تجعلها تتدفق. قبل بضع سنوات، كانت تجري اختبارًا كجزء من مشروع بالتعاون مع شركة النفط والغاز إكسون موبيل عندما سمعت صوتًا قصيرًا وحادًا. قالت ليما: “اعتقدت أنها كانت الآلة”. لكن الكسر جاء من السائل الذي كانت الآلة تسحبه: مزيج أسود لزج من الهيدروجين والكربون. وبدلاً من التمدد، انكسر السائل. من المعروف أن الكسور تحدث في بعض السوائل المعقدة المرنة، والتي يمكن أن تتصرف مثل المواد الصلبة في ظل ظروف معينة. لكن ليما كانت تعمل باستخدام سائل بسيط غير مرن. حتى مع عدم وجود مرونة تقريبًا، فقد تمزق تحت الضغط. قال أرنولد ماثيسن، عالم فيزياء الموائع في جامعة بنسلفانيا: «لم يتوقع أحد أن يكون هذا ممكنًا في هذا النوع من السوائل البسيطة، لأن اللزوجة عادةً ما تعيد ترتيب الجزيئات فحسب». “لا تتوقع أن يتصدع. لكنه يحدث، لذلك أعتقد أن هذا هو ما يثير الدهشة حقًا.” قامت شركة Brittle Break بتمديد السائل مرارًا وتكرارًا لإثبات أن الكسر غير المتوقع لم يكن حدثًا لمرة واحدة. وقال نيكولاس ج. ألفاريز، أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة دريكسيل، الذي قاد مختبره البحث: «في كل مرة تقيسها، تنكسر المادة». “إنها تُحدث فرقعة عالية. أعني، كما لو أنك أخذت شريطًا مطاطيًا وسحبته ومددته فانكسر.” كانت ثاميريس ليما، أستاذة الأبحاث في الهندسة الكيميائية بجامعة دريكسيل، تمد سائلًا في مقياس تمددي عندما سمعت صوتًا حادًا وقصيرًا. اقتناعًا من ليما وألفاريز بأن هذه اللقطة لم تكن مجرد صدفة، استخدما كاميرات عالية السرعة للنظر إلى هذه الظاهرة عن كثب. لقد أدركوا أن الكسر كان في الأساس “كسرًا هشًا”، من النوع الذي قد تراه عندما يسقط طبق مصنوع من الزجاج أو الخزف. تحدث الكسور الهشة للمواد الصلبة الهشة التي تتمتع بالمرونة. قم بتطبيق بعض الضغط على الزجاج أو البورسلين وسيتشوه قليلاً جدًا، وبعد ذلك – إذا لم تدفعه إلى ما بعد نقطة الانهيار – فإنه يعود إلى وضعه الطبيعي بمجرد إزالة الضغط. ومع ذلك، فإن المواد الصلبة ليست مثالية أبدًا. في معظم الحالات، تحتوي المادة الصلبة الهشة على عيب صغير جدًا، وهو صدع بمقياس عشرات النانومترات. بمجرد أن يتم الضغط على المادة الصلبة بعد نقطة حرجة، يصبح من الأفضل بقوة أن تقوم المادة الصلبة بتنمية الشقوق بدلاً من تخزين الضغط بشكل مرن. عند هذه النقطة، ينمو الصدع بشكل كارثي، مما يؤدي إلى تفكك المادة الصلبة بسرعة. تتمتع بعض السوائل المعقدة، والتي تسمى السوائل اللزجة المرنة، بالمرونة أيضًا. على سبيل المثال، تتكون البوليمرات المنصهرة – وهي نسخ من البوليمرات المنصهرة في المواد البلاستيكية – من سلاسل طويلة من الجزيئات، التي تتشابك مع بعضها البعض وتزيد من المكون المرن للمادة. في ورقة بحثية نشرت عام 2016 بعنوان Physical Review Letters، أظهر ألفاريز وزملاؤه أن السوائل المعقدة مثل البوليسترين المنصهر يمكن أن تتكسر بنفس الطريقة التي تنكسر بها المواد الصلبة في بعض الأحيان. “لقد اعتقدنا أن المرونة كانت شرطًا أساسيًا لمثل هذا النوع الصلب من الكسر، أليس كذلك؟” قال الفاريز. ونتيجة لذلك، افترضوا أن المرونة مرتبطة بكسر السوائل أيضًا. لكن مزيج الهيدروكربون الذي كانت تعمل به ليما كان عبارة عن سائل بسيط. لا تخزن السوائل البسيطة الكثير من الطاقة المرنة. وعندما يتم دفعها أو سحبها إلى ما هو أبعد من حدودها، فهي لا تنحني أو تنكسر عادةً، بل تتدفق. لم يتوقع أحد أن يكون هذا ممكنًا في هذا النوع من السوائل البسيطة لأن اللزوجة عادة ما تعيد ترتيب الجزيئات. أرنولد ماثيسن، عالم فيزياء الموائع في جامعة بنسلفانيا ربما تكون النظرية القديمة حول سبب كسر السائل خاطئة. “إذا لم تكن هناك مرونة في المشكلة، فكيف يمكنك التفكير في بدء أو نمو الصدع؟” قال براتو تشاكرابارتي، عالم الفيزياء الذي يعمل في ميكانيكا الموائع في المركز الدولي للعلوم النظرية في بنغالورو، الهند. أدى تكسير مزيج الهيدروكربون إلى جعل الباحثين ينظرون إلى أوراق دانييل د. جوزيف، وهو مهندس ميكانيكي في جامعة مينيسوتا. في عامي 1995 و1998، اقترح جوزيف أن أي سائل، بغض النظر عن مدى مرونته، يمكن أن ينكسر تحت كمية كافية من إجهاد التمزق. يتساءل ألفاريز عما إذا كانت نقطة انكسار السائل لا تتعلق بخاصية مثل المرونة، بل بشيء أكثر أهمية في بنية السائل. وقال: “ربما، ربما فقط، الشيء الذي يتسبب في تفكك (بعض) السوائل… (هو) مرتبط بطريقة ما بهذه الطاقة المتماسكة التي تربط الجزيئات معًا”. الفقاعة المنفجرة تتمتع السوائل البسيطة بطريقة لتخفيف التوتر، دون الحاجة إلى الانكسار: فهي تشكل فراغات بين الجزيئات (فقاعات) في عملية تسمى التجويف. على سبيل المثال، إذا دارت شفرات المروحة بسرعة في سائل بسيط، فإن السائل الموجود على أحد جانبي الشفرة يمكن أن يندفع بسرعة أكبر بكثير من السائل الموجود على الجانب الآخر، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط على هذا الجانب. يمكن أن يتسبب هذا الانخفاض في تكهف السائل. ويعمل المهندسون على تجنب ذلك، لأنه بمجرد انهيار تلك الفقاعات، فإنها تولد موجات صدمية يمكن أن تلحق الضرر بالمراوح والمضخات. في أوراقه البحثية في التسعينيات، توقع جوزيف أن التجويف سيسمح للسوائل البسيطة بالكسر. وقال ألفاريز: “إذا فكرت في ما يربط السوائل ببعضها البعض، فهو التماسك، أو التفاعلات بين الجزيئات بين الجزيئات”. إذا قمت بفصل هذه الجزيئات عن بعضها البعض، يمكنك إنشاء فقاعة. عادة، تبقى السوائل اللزجة متماسكة عندما تتشكل الفقاعات، وذلك عن طريق تغيير الشكل من حولها. ولكن إذا تشكلت فقاعات كافية في تتابع سريع، فمن الممكن نظريًا أن تكسر سائلًا مثل لوح الزجاج. في دريكسيل، وجد الباحثون أنه بمجرد أن يتشكل صدع داخل سائل بسيط، فإنه ينتشر بسرعة كبيرة، وذلك على وجه التحديد لأن السائل ليس مرنًا. وقال ألفاريز: “إذا تمكنت من بدء حدث التنوي في الشق، لأنه لا توجد مرونة في المادة، فيمكن أن ينتشر هذا الشق بالسرعة التي تسمح بها الفيزياء”. وفي عمل سابق على السوائل المعقدة، وجد باحثو دريكسيل أن الشقوق في البوليسترين المنصهر تنتشر بمعدل 0.07 متر في الثانية تقريبًا. وفي دراستهم الجديدة، أظهر ليما وزملاؤه أن الشقوق تنتشر بسرعة أكبر بكثير في السوائل البسيطة التي درسوها، حيث وصلت إلى سرعات تتراوح بين 500 إلى 1500 متر في الثانية تقريبًا. وقال ألفاريز: “هذا له علاقة بالطريقة التي تكون بها المادة قادرة على تبديد الطاقة”. وفقا لإحدى الفرضيات، في السائل المعقد، يتم امتصاص الطاقة من خلال سلاسل طويلة من الجزيئات عندما تنكسر. ولكن في حالة سائل بسيط، “لا يوجد حقًا ما يبطئ هذا القمع”، كما قال. ووجد الباحثون أن هذا يؤثر على شكل الشق، الذي يبدو في السوائل المعقدة مثل قرن البوق وفي السوائل البسيطة يشبه الشق الذي يتحرك عبر الزجاج. كيفية تكسير سائل من المثير للدهشة أنه على الرغم من اختلاف طرق تكسير السوائل المعقدة والسوائل البسيطة التي اختبرها الباحثون، فإنها تميل إلى التكسير عند نفس المقياس الحرج للإجهاد: 2 ميجا باسكال. قام الباحثون بتغيير درجة حرارة مزيج الهيدروكربون – وهو سائل بسيط – لتغيير لزوجته، ووجدوا أن السائل الأقل لزوجة فقط الذي اختبروه فشل في الكسر. لاحظ الفريق أن مستوى الضغط الحرج الذي تتكسر عنده السوائل يتناسب مع لزوجتها مضروبًا في معدل الانفعال (مدى سرعة سحبها أو تمددها بعيدًا، وكيف يتغير قطر السائل). كان للآلة حد – وإن كان مرتفعًا – لمدى سرعة تحركها: 500 ملم في الثانية. وقالت ليما: “هناك عدد قليل جدًا من الأدوات التي يمكن مقارنتها بأدواتنا”. وتعتقد ليما أنه إذا كان لديهم آلة يمكنها سحب السوائل بشكل أسرع، فيمكنهم كسر السوائل الأقل لزوجة مثل العسل أو حتى الماء. في المستقبل، تريد ليما استخدام سائل أكثر شفافية حتى تتمكن من التقاط التشقق أثناء تشكله. وترغب أيضًا في محاولة تجميد سطح السائل بمجرد أن ينقطع، وفحصه باستخدام مجهر عالي الدقة يقوم بمسح الأسطح بمقياس نانومتر. يحرص ألفاريز على استكشاف السوائل البسيطة في سياق غزل المواد وتحويلها إلى ألياف، وهو ما يمكن أن يكون له تطبيقات في الهندسة والطب. يمكن أن يكون للكسور في السوائل أيضًا آثار على الطباعة النافثة للحبر، وحماية إصابات الدماغ، والروبوتات الناعمة. لكن ألفاريز متحمس للغاية لمعرفة ما يعنيه أن ينكسر سائل بسيط في المقام الأول. وقال: “(إنه) مختلف عما كنا نفكر فيه في الأدبيات لفترة طويلة جدًا”.
تم النشر: 2026-07-12 03:13:00
مصدر: www.quantamagazine.org
