Sıvı mı Katı mı? Akması Beklenirken Cam Gibi Kırılan Gizemli Madde
Araştırmacılar, sıvıların yeterince gerildiğinde katılar gibi aniden kırılabileceğini keşfetti. Bu beklenmedik davranış, temel fiziği sorguluyor ve yeni teknolojik uygulamalara yol açabilir.
Drexel Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, bilim insanlarının sıvılar hakkındaki düşüncelerini yeniden şekillendirebilecek bir keşifte, belirli koşullar altında basit bir sıvının katı gibi parçalanabileceğini buldu. Physical Review Letters’da yayınlanan çalışma, viskoz sıvıların yeterli kuvvetle gerildiğinde aniden kırılabileceğini gösteriyor.
Bu beklenmedik davranış, viskozitenin veya bir sıvının akmaya karşı direncinin, sıvıların strese nasıl tepki verdiğinde önemli bir faktör olduğunu gösteriyor. Ayrıca, hidrolik ve 3D baskıdan kan akışı gibi biyolojik sistemlere kadar uzanan teknolojilerde sıvıların nasıl kontrol edilebileceğine dair yeni yollar öneriyor.
Araştırmanın yürütülmesinde görev alan Drexel Mühendislik Fakültesi’nden yardımcı araştırma profesörü Dr. Thamires Lima, “Bulgularımız, yeterli alan başına kuvvetle çekildiğinde, akan basit bir sıvının, tıpkı bir katı gibi kırılacağı, ‘kritik gerilim’ noktası olarak adlandırdığımız bir noktaya ulaşacağını gösteriyor. Ve bu, su ve yağ gibi yaygın örnekler de dahil olmak üzere tüm basit sıvılar için muhtemelen geçerlidir” dedi. “Bu, akışkan dinamiği hakkındaki anlayışımızı temelden değiştiriyor.”
Drexel Üniversitesi’nden yapılan yeni bir araştırma, burada gösterilen hidrokarbon sıvısı gibi basit sıvıların, yeterli kuvvetle gerildiğinde aslında katı bir cisim gibi kırılabileceğini gösteriyor. (Kaynak: Drexel Üniversitesi)
Test Sırasında Beklenmedik Sıvı Kırılması
Bu keşif, Lima ve ekibinin ExxonMobil Teknoloji ve Mühendislik Şirketi ile yürüttükleri bir proje kapsamında iki basit sıvının özelliklerini incelerken tesadüfen gerçekleşti. Sıvıyı germek için ne kadar kuvvet gerektiğini ölçen bir uzama reolojisi testi sırasında araştırmacılar alışılmadık bir şey fark ettiler. Bal gibi yavaş yavaş incelmek yerine, katran benzeri sıvılar aniden parçalandı.
Araştırmayı yürüten Mühendislik Fakültesi’nden Profesör Nicolas Alvarez, “Gözlemlediğimiz şey o kadar beklenmedikti ki, gerçek olduğundan emin olmak için deneyleri birkaç kez daha tekrarlamamız gerekti,” dedi. “Fenomen doğrulandıktan sonra, araştırma tamamen farklı bir bilimsel çaba haline geldi.”
Ekip, yüksek hızlı bir kamera kullanarak, tipik olarak katı malzemelerde görülen bir süreci yakaladı. Katılar gerildiğinde, kritik bir gerilme noktasına ulaşana kadar uzarlar, ardından aniden kırılırlar. Bu tür bir arıza, gevrek kırılma olarak bilinir ve araştırmacılara göre, daha önce basit bir sıvıda hiç gözlemlenmemişti.
Lima, “Bu inanılmaz derecede şaşırtıcı bir manzaraydı,” dedi. “Kırılma, beni gerçekten ürküten çok yüksek bir çatlama sesi çıkardı. İlk başta makinenin bozulduğunu sandım, ancak kısa süre sonra sesin germe sıvısından geldiğini fark ettim.”
Kritik Gerilim ve Viskozitenin Rolü
Bu davranışı gösteren ilk sıvılar, katran benzeri hidrokarbon karışımlarıydı. Bu malzemeler, 2 megaPaskal’lık kritik bir gerilimde kırıldı; bu, yaklaşık olarak 10 tuğla dolu bir çamaşır torbasının düşerken tırnağınıza takılmasıyla hissedebileceğiniz gerilime eşdeğerdir.
Neler olduğunu daha iyi anlamak için araştırmacılar, hidrokarbon karışımlarıyla aynı viskoziteye sahip farklı bir basit sıvı olan stiren oligomeri ile deneyleri tekrarladılar. Aynı koşullar altında kırıldı ve bu da viskozitenin katı benzeri kırılma davranışının ardındaki kilit faktör olduğunu gösterdi. Bu sonuç, birçok basit sıvının benzer bir kırılma eşiğine sahip olabileceğini düşündürmektedir.
Ekip daha sonra viskoziteyi değiştirmek için sıcaklığı değiştirdi. Her seviyede, her zaman aynı 2 megaPaskal “kritik gerilim” noktasına bağlı olan, kırılmayı tetikleyen belirli bir germe hızı belirlediler. Daha düşük viskozitelerde, ekipman onları yeterince hızlı geremediği için sıvılar kırılamadı.
Sıvılara İlişkin Geleneksel Görüşlere Meydan Okuma
Şimdiye kadar kırılma, bir malzemenin stresi depolama ve dayanma yeteneği olan elastikiyetle bağlantılı bir özellik olarak anlaşılmıştır. Basit sıvılar genellikle stresi bu şekilde depolamazlar. Bunun yerine, kuvvet uygulandığında bükülmek veya kırılmak yerine akarlar.
Çoğu durumda, elastikiyet yalnızca bir sıvı “cam geçişi” sıcaklığının altına soğutulduğunda, yani katı gibi davranmaya başladığı sıcaklıkta önem kazanır. Hala tamamen sıvı halde olan sıvılarda kırılmanın gözlemlenmesi, kırılmanın elastik malzemelerle sınırlı olmadığını göstermektedir.
Lima, “Viskoelastik ve polimer sıvılar – Oobleck veya ev yapımı slime gibi şeyler – katı benzeri kırılma davranışı göstermiş olsa da, basit sıvıların her zaman cam geçişi sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda sürekli deformasyon sergilediği ve bu nedenle kırılmayacağı düşünülmüştür,” dedi. “Viskoz etkilerin katı benzeri kırılma davranışını teşvik etmek için yeterli olduğunu göstermek, bu bilimsel araştırma alanında keşfedilecek yeni sorular dünyasının kapısını açıyor.”
Geniş Kapsamlı ve Muhtemelen Evrensel Bir Etki
Araştırmacılar ayrıca basit bir sıvı olan oligomer stiren sıvısını, polimer muadiliyle karşılaştırdılar. Her iki malzeme de aynı kritik gerilme seviyesinde kırıldı; bu da basit sıvılardaki davranıştan elastikiyetin sorumlu olmadığını gösteriyor.
Lima, “Bu, diğer birçok elastik sıvının da nispeten benzer bir kritik gerilme noktasında kırılabileceğini gösteriyor,” dedi. “Bu, nispeten kimyadan bağımsız ve muhtemelen geniş bir sıvı yelpazesine genellenebilir bir olguya işaret ediyor.”
Sıvıların Bozulmasına Ne Sebep Oluyor?
Ekip, altta yatan fiziği anlamak için bu fenomeni incelemeye devam etmeyi planlıyor. İlk bulgular, bunun kavitasyonla ilgili olabileceğini gösteriyor; bu süreçte küçük buhar kabarcıkları oluşur ve hızla çöker, sıvıda şok dalgaları oluşturur.
Lima, “Bu beklenmedik davranışı bildirdikten sonra, bunun neden olduğunu ve davranışın diğer sıvılarda nasıl ortaya çıktığını tam olarak anlamak önemli bir sonraki adımdır” dedi. “Bu bulgunun elyaf eğirme ve viskoz sıvılar kullanan diğer uygulamalara nasıl yardımcı olabileceğini görmek de ilginç olacaktır.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Araştırmacılar Kan Dolaşımına İzin Veren 3D Baskılı Yapay Deri Üretti