単純な流体は流れることが知られている。どうやら、一部は破壊されるらしい

ホーム 単純な流体は流れることが知られている。どうやら、一部は破壊されるらしい。 コメント 保存記事 後で読む 共有 Facebook コピー済み！リンクをコピー メール ポケット Reddit Ycombinator コメント コメント 保存記事 後で読む 後で読む 流体力学 単純な流体は流れることが知られている。どうやら、一部は破壊されるらしい。 Rohini Subrahmanyam 著 2026年7月10日 研究者たちは、複雑な流体が破壊される原因は弾性にあると考えていた。しかし、非弾性の単純な流体における亀裂は、その考えに疑問を投げかけている。 100ミリメートル毎秒で引っ張ると、水素と炭素の混合物は伸びる。300ミリメートル毎秒では、流体は破壊される。Phys. Rev. Lett. 136, 124002より許可を得て転載。American Physical Societyの著作権。 はじめに ドレクセル大学の化学工学の研究教授であるThamires Limaは、蜂蜜や糖蜜のような濃く粘性のある液体の性質を研究しているが、実験室ではポリプロピレンや原油を見つけることが多いだろう。伸長レオロジーと呼ばれる方法を用いて、Limaは金属板の間で液体を引っ張り、それが流動する力を測定する。数年前、石油・ガス会社エクソンモービルとの共同プロジェクトの一環として実験を行っていたところ、短く鋭い「パキッ」という音を聞いた。「機械の音だと思った」とLimaは言った。しかし、その音は機械が引っ張っていた流体、つまり粘り気のある黒い水素と炭素の混合物から発せられたものだった。流体は伸びる代わりに、破壊されたのだ。 破壊は、特定の弾性を持つ複雑な流体で起こることが知られている。これらの流体は、特定の条件下では固体のように振る舞うことがある。しかし、Limaが扱っていたのは非弾性の単純な流体だった。ほとんど弾性がなくても、応力下でバラバラに壊れたのだ。「この種の単純な流体でこれが可能だとは誰も予想していなかった。なぜなら、粘性があれば通常は分子が再配列するだけだからだ」とペンシルベニア大学の流体物理学者Arnold Mathijssenは言う。「破壊するとは予想しない。しかし、それは起こる。だから、それが本当に驚くべきことだと思う。」 脆い破壊 Limaは、この予期せぬ破壊が一度きりの現象ではないことを証明するために、液体を何度も引っ張った。「測定するたびに、材料は壊れた」と、研究を主導したドレクセル大学の化学工学教授Nicolas J. Alvarezは語った。「大きなポップ音がする。ゴムバンドを引っ張って引きちぎったような音だ。」 このスナップが偶然ではないと確信したLimaとAlvarezは、ハイスピードカメラを使って現象をより詳しく調べた。彼らは、この破壊が本質的に「脆性破壊」であり、ガラスや磁器で作られた皿を落としたときに見られるようなものであることに気づいた。脆性破壊は、弾性を持つ脆性固体に起こる。ガラスや磁器に応力を加えると、ごくわずかに変形し、その後、その破壊点を超えなければ、応力が取り除かれると元に戻る。しかし、固体は決して完璧ではない。ほとんどの場合、脆性固体には、数十ナノメートルのスケールの微細な欠陥、つまり亀裂がある。固体が臨界点を超えて応力を受けると、応力を弾性的に蓄えるよりも亀裂を成長させる方がエネルギー的に有利になる。その時点で、亀裂は壊滅的に成長し、固体を急速に破壊する。 粘弾性液体と呼ばれる一部の複雑な流体も弾性を持つ。例えば、ポリマー溶融物（プラスチックのポリマーの溶けた状態）は、互いに絡み合った長い分子鎖で構成されており、材料の弾性成分を増加させる。2016年のPhysical Review Letters誌に掲載された論文で、Alvarezらは、溶融ポリスチレンのような複雑な流体が、固体が時々行うのと同じ方法で破壊されることを示した。「私たちは、弾性がそのような固体的な破壊の前提条件だと考えていたのではないか？」とAlvarezは言う。その結果、彼らは弾性が液体の破壊とも関連していると理論化した。しかし、Limaが扱っていた炭化水素混合物は単純な流体だった。単純な流体は、ほとんど弾性エネルギーを蓄えない。そして、限界を超えて押されたり引っ張られたりすると、通常は曲がったり壊れたりせず、流れるだけだ。したがって、液体が破壊されることに関する古い理論は間違っているのかもしれない。 「問題に弾性が全くない場合、亀裂の開始や成長をどのように考えることができるだろうか？」と、インドのベンガルールにある国際理論科学センターで流体力学を研究している物理学者Brato Chakrabartiは尋ねた。炭化水素混合物の破壊は、研究者たちにミネソタ大学の機械工学者Daniel D. Josephの論文を振り返らせた。1995年と1998年に、Josephは、どんな液体でも、その弾性の程度に関係なく、十分な引き裂き応力下で破壊される可能性があると示唆した。Alvarezは、液体の破壊点がある特性（弾性など）ではなく、液体の構造により根本的な何かに依存しているのではないかと考えている。「おそらく、[特定の]流体を破壊させる原因となっているものは…分子を結びつけているこの凝集エネルギーと何らかの関係があるのかもしれない」と彼は言う。 バブルの破裂 単純な流体には、破壊を必要としないストレス解消法がある。それは、キャビテーションと呼ばれるプロセスで分子間空洞（気泡）を形成することだ。例えば、プロペラのブレードが単純な流体中で急速に回転すると、ブレードの一方の側の流体がもう一方の側よりもはるかに速くスロッシングし、その側で圧力が低下する。この低下は、液体がキャビテーションを起こす原因となることがある。技術者はこれを避けようとする。なぜなら、これらの気泡が崩壊すると、プロペラやポンプを損傷する可能性のある衝撃波が発生するからだ。90年代の論文で、Josephはキャビテーションが単純な流体を破壊させるだろうと予測した。 「流体を一体に保っているものが何であるかを考えると、それは凝集性、つまり分子間の相互作用だ」とAlvarezは言う。それらの分子を引き離すと、気泡を生成することができる。通常、粘性のある液体は、気泡の周りで形状を変えることによって、気泡が形成されても凝集性を保つ。しかし、十分な数の気泡が連続して形成されると、理論的にはガラス板のように液体を破壊する可能性がある。 ドレクセル大学の研究者たちは、単純な流体内に亀裂が核生成すると、流体が弾性を持たないために、それが極めて速く伝播することを発見した。「亀裂の核生成イベントを開始させることができれば、材料に弾性がないため、その亀裂は物理学が許す限り速く伝播できる」とAlvarezは語った。複雑な流体に関する以前の研究で、ドレクセル大学の研究者たちは、溶融ポリスチレンの亀裂が約0.07メートル毎秒で伝播することを発見した。彼らの新しい研究では、Limaらは、彼らが研究した単純な流体では亀裂がはるかに速く伝播し、約500〜1500メートル毎秒の速度に達することを示した。 「それは、材料がエネルギーをどのように散逸できるかに関係している」とAlvarezは言う。ある仮説によれば、複雑な流体では、エネルギーは分子鎖が壊れるときに吸収される。しかし、単純な流体では、「亀裂を遅くするものは何も本当にない」と彼は言う。これは亀裂の形状に影響を与えるようで、複雑な流体ではトランペットの角のような形をし、単純な流体ではガラスを通過する亀裂のように見えると研究者たちは発見した。 液体を破壊する方法 驚くべきことに、破壊の方法は異なるにもかかわらず、研究者たちがテストした複雑な流体と単純な流体の両方が、同じ臨界応力測定値（2メガパスカル）で破壊される傾向があった。研究者たちは、炭化水素混合物（単純な流体）の温度を変化させて粘度を変えたが、テストした中で最も粘度の低い液体だけが破壊されなかった。チームは、液体が破壊される臨界応力レベルが、その粘度とひずみ率（引き伸ばされたり引っ張られたりする速さと、液体の直径がどのように変化するか）に比例することを発見した。機械には限界があったが、