Nghiên cứu mới nhất của Đại học Drexel ở Hoa Kỳ cho thấy trong một số điều kiện nhất định, một "chất lỏng đơn giản" lẽ ra phải chảy liên tục sẽ đột ngột vỡ ra như một chất rắn khi bị kéo căng đến một lực đủ lớn, kèm theo âm thanh gãy giòn rõ ràng. Khám phá này thách thức hiểu biết truyền thống của con người rằng chất lỏng chỉ có thể “chảy mà không vỡ”, đồng thời mở ra không gian tưởng tượng mới cho việc kiểm soát tốt chất lỏng trong các hệ thống kỹ thuật và sinh học.
Nhóm nghiên cứu đã vô tình ghi lại được hiện tượng này khi tiến hành các thí nghiệm cộng tác với ExxonMobil Technology & Engineering. Trong một thử nghiệm "lưu biến kéo dài", đo các tính chất cơ học của chất lỏng khi nó giãn ra, chất lỏng hydrocarbon giống như hắc ín, được cho là thon và dài như mật ong, đột nhiên bị gãy tại một điểm. Thamires Lima, trợ lý giáo sư nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật, người phụ trách thí nghiệm, kể lại rằng âm thanh lúc vỡ lớn đến mức bà nghĩ rằng đó là do thiết bị bị hỏng. Sau đó, cô xác nhận rằng âm thanh phát ra từ chính chất lỏng đang co giãn.
Để xác minh đây không phải là hiện tượng ngẫu nhiên, các nhà nghiên cứu đã lặp lại thí nghiệm nhiều lần và ghi lại toàn bộ quá trình bằng camera tốc độ cao. Hình ảnh cho thấy những chất lỏng có độ nhớt cao này đầu tiên trở nên mỏng hơn khi bị kéo căng, sau đó đột ngột trải qua hiện tượng "gãy giòn" tương tự như chất rắn sau khi đạt đến điểm ứng suất tới hạn nhất định, thay vì từ từ co lại và vỡ ra như những giọt thông thường. Trước đây, hành vi gãy giòn điển hình này chủ yếu được quan sát thấy ở các vật liệu rắn và chưa bao giờ được ghi nhận rõ ràng trong các hệ thống vẫn ở trạng thái lỏng và được phân loại là "chất lỏng đơn giản".
Nghiên cứu cho thấy chất lỏng hydrocarbon giống nhựa đường như vậy bị vỡ ở ứng suất tới hạn khoảng 2 MPa. Các nhà nghiên cứu ví sự căng thẳng này giống như cảm giác bị kéo mạnh khi một túi giặt chứa khoảng 10 viên gạch bị rơi xuống và sợi dây bất ngờ mắc vào móng tay. Để làm rõ hơn cơ chế, nhóm nghiên cứu đã chọn một chất lỏng đơn giản khác có cùng độ nhớt là styrene oligome và thử nghiệm nó trong cùng điều kiện. Kết quả là vết nứt đột ngột tương tự xảy ra ở mức ứng suất gần 2 MPa. Kết quả này chỉ ra vai trò quan trọng của độ nhớt, cho thấy rằng nhiều chất lỏng đơn giản có thể có chung "ngưỡng" đứt gãy tương tự.
Trong các thí nghiệm tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã kiểm soát độ nhớt của chất lỏng bằng cách thay đổi nhiệt độ và tìm kiếm các điều kiện đứt gãy tương ứng ở các độ nhớt khác nhau. Kết quả cho thấy ở mỗi mức độ nhớt, người ta tìm thấy một tốc độ giãn nở cụ thể khiến chất lỏng bị đứt gần cùng điểm "ứng suất tới hạn" là 2 MPa. Khi độ nhớt giảm xuống mức đủ thấp, chất lỏng không còn có thể bị kéo đến điểm đứt do giới hạn trên của tốc độ giãn nở của thiết bị thí nghiệm, điều này cũng khẳng định mối quan hệ chặt chẽ giữa độ nhớt và hành vi đứt gãy.
Trong một thời gian dài, sự xuất hiện vết nứt của vật liệu thường được coi là có liên quan chặt chẽ đến "độ đàn hồi", tức là khả năng lưu trữ và chịu được ứng suất mà không bị chảy ngay lập tức của vật liệu. Chất lỏng đơn giản không lưu trữ ứng suất theo cách hiểu cổ điển. Chúng được giải phóng theo dòng chảy ngay khi có ngoại lực tác dụng nên sẽ không bị uốn cong hoặc gãy như chất rắn. Gãy xương thường chỉ được thảo luận khi chất lỏng được làm lạnh xuống dưới "nhiệt độ chuyển thủy tinh" của nó và bắt đầu hoạt động ở dạng thủy tinh, giống như chất rắn. Lần này, vết nứt giòn được quan sát thấy ở một chất lỏng đơn giản hoàn toàn ở trạng thái lỏng, cho thấy vết nứt không phải là "bằng sáng chế" cho vật liệu đàn hồi.
Trước đây, một số chất lỏng phức tạp có độ nhớt đàn hồi hoặc cấu trúc polyme rõ ràng, chẳng hạn như chất lỏng phi Newton như “Ublek” hoặc chất nhờn tự chế, đã được chứng minh là có biểu hiện đứt gãy giống như chất rắn trong một số điều kiện nhất định. Nhưng cộng đồng khoa học từ lâu đã tin rằng các chất lỏng đơn giản ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của chúng sẽ tiếp tục biến dạng mà không trở nên giòn. Công trình của trường Đại học Drexel cho thấy chỉ riêng hiệu ứng nhớt là đủ để thúc đẩy các kiểu đứt gãy giống chất rắn, đặt ra một loạt câu hỏi mới trong cơ học chất lỏng và khoa học vật liệu.
Để loại trừ các yếu tố đàn hồi, nhóm nghiên cứu cũng so sánh hiệu suất của chất lỏng đơn giản, styren oligome, với chất polyme tương tự của nó. Kết quả cho thấy cả hai đều bị gãy ở mức ứng suất tới hạn tương tự trong các điều kiện thí nghiệm tương tự. Điều này cho thấy đối với các chất lỏng đơn giản, nguyên nhân gây ra đứt gãy không phải là cơ chế đàn hồi chỉ có ở hệ thống polyme mà có nhiều khả năng liên quan đến đặc tính lưu biến chi phối độ nhớt. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng nhiều chất lỏng khác có đặc tính đàn hồi có khả năng gặp hiện tượng đứt gãy tương tự khi đạt đến mức ứng suất này. Hành vi này có thể khá "phổ biến" về mặt thành phần hóa học.
Nhóm vẫn đang tìm hiểu sâu về nguồn gốc vật lý gây ra hiện tượng này. Bằng chứng sơ bộ cho thấy cái gọi là quá trình "xâm thực" có thể liên quan: các bong bóng nhỏ hình thành bên trong chất lỏng và nhanh chóng sụp đổ, từ đó tạo ra sóng xung kích cục bộ hoặc nồng độ ứng suất mà cuối cùng gây ra hiện tượng nứt gãy. Các nhà nghiên cứu cho biết tiếp theo họ sẽ kiểm tra một cách có hệ thống hành vi tương tự trong các hệ chất lỏng khác nhau để làm rõ liệu nó có tuân theo một cơ chế vật lý thống nhất hay không.
Khám phá này không chỉ định hình lại hiểu biết của con người về hành vi của chất lỏng dưới trạng thái ứng suất cao ở cấp độ khoa học cơ bản mà còn mang lại sự khai sáng tiềm năng cho các ứng dụng công nghệ. Trong các quy trình như hệ thống thủy lực, sản xuất bồi đắp (chẳng hạn như in 3D) và kéo sợi dựa vào việc tạo hình và phân phối chính xác chất lỏng có độ nhớt cao, việc hiểu rõ các điều kiện quan trọng khi chất lỏng "vỡ như chất rắn" được kỳ vọng sẽ giúp các kỹ sư tối ưu hóa cửa sổ quy trình, tránh hỏng hóc hoặc đảo ngược quá trình sử dụng. Trong lĩnh vực chất lỏng sinh học, các cơ chế tương tự cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của chất lỏng cơ thể có độ nhớt cao dưới áp lực cực độ, chẳng hạn như sự ổn định dòng chảy của máu trong các mạch máu bị bệnh hẹp.
Bài báo "Gãy xương giống chất rắn bất ngờ trong chất lỏng đơn giản" được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters vào ngày 26 tháng 3 năm 2026. Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi "hành vi bất ngờ" này được báo cáo chính thức, cách xác nhận, định lượng và sử dụng nó trong nhiều hệ thống chất lỏng hơn sẽ trở thành một hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai.