Pada tingkat yang paling fundamental, sains kerap menantang akal sehat. Dan suatu temuan baru mungkin adalah yang paling tak masuk akal di antaranya: cairan bisa patah.
Sebuah makalah terbaru di Physical Review Letters berjudul “Unexpected Solidlike Fracture in Simple Liquids,” melaporkan pengamatan persis itu—ketika cairan diregangkan dengan gaya yang cukup, material yang seharusnya bersifat fluida itu retak seperti benda padat. Temuan ini mengisyaratkan bahwa viskositas, atau ketahanan suatu cairan untuk mengalir, mungkin memainkan peran lebih besar dalam sifat mekanik cairan daripada yang kita yakini. Lebih lanjut, perilaku ini kemungkinan berlaku untuk cairan yang sangat umum, seperti air atau minyak, sehingga menimbulkan pertimbangan baru dalam memanipulasi cairan di berbagai aplikasi.
“Apa yang kami amati begitu tak terduga sehingga kami harus mengulang eksperimen beberapa kali untuk memastikan ini nyata,” kata Nicolas Alvarez, penulis pendamping studi dan seorang insinyur di Drexel University, dalam sebuah pernyataan. “Ini secara fundamental mengubah pemahaman kita tentang dinamika fluida.”
Bukan Masalah Peralatan
Cara yang lebih ilmiah untuk mendeskripsikan fraktur adalah dengan merujuk pada keseimbangan antara energi permukaan dan pelepasan energi elastis yang menghasilkan antarmuka baru. Lebih sederhananya, fraktur muncul ketika energi yang dilepaskan oleh suatu material melebihi energi yang diperlukan untuk menciptakan permukaan baru. Ini adalah sifat penentu yang ‘mendefinisikan benda padat’ tetapi tidak untuk cairan, yang ‘menyerah dan mengalir daripada berdeformasi secara elastis di bawah tekanan,’ menurut makalah tersebut.
Awalnya, para peneliti mempelajari perilaku penyerahan dan pengaliran ini pada campuran hidrokarbon yang seperti tar. Yang mereka harapkan untuk lihat adalah sesuatu seperti ‘perilaku penipisan yang memanjang yang familiar bagi siapa pun yang pernah meneteskan setetes madu ke dalam secangkir teh,’ menurut pernyataan itu. Kemudian mereka mendengar suara.
“Fraktur tersebut menimbulkan suara letusan yang sangat keras yang benar-benar membuatku kaget,” kenang Thamires Lima, penulis utama studi dan seorang insinyur di Drexel. “Awalnya kukira mesinnya yang rusak, tapi segera sadar bahwa suara itu berasal dari fluida yang sedang diregangkan.”
Mengurai Retakan
Menurut Lima, suara itu membuat tim beralih ke ‘sebuah upaya ilmiah yang sama sekali berbeda.’ Setelah memastikan bahwa suara itu bukan berasal dari kerusakan peralatan apa pun, para peneliti merancang eksperimen untuk memeriksa perilaku serupa pada cairan dengan viskositas yang sama seperti hidrokarbon. Kamera berkecepatan tinggi merekam setiap sesi, memberikan tim pandangan mendetail tentang bagaimana prosesnya berlangsung.
Yang menarik, cairan-cairan tersebut menunjukkan pola konsisten berupa peregangan hingga mencapai titik ‘tegangan kritis’, di mana mereka simplementerputus menjadi dua. Ambang batas ini terukur hingga 2 megapascal, yang setara dengan ‘tegangan tidak menyenangkan yang akan Anda alami jika mendorong tas laundry berisi 10 batu bata dari tepian dan tali pengikatnya tersangkut di kuku jari Anda,’ jelas mereka.
Pola ini bertahan bahkan ketika pergeseran suhu mengubah viskositas, lapor tim. Fraktur cairan tetap proporsional dengan 2 megapascal hingga viskositas setiap sampel turun cukup rendah sehingga peralatan, yang memiliki kapasitas peregangan terbatas, tidak mampu meregangkannya lebih jauh.
Titik Patah Cairan
Temuan ini menantang konsensus bahwa fraktur adalah sifat dari elastisitas, atau kemampuan material menahan tegangan. Sejauh ini, ilmuwan meyakini bahwa elastisitas kurang lebih hanya berlaku untuk padatan atau untuk cairan yang didinginkan cukup hingga mulai menyerupai padatan. Namun studi baru ini menunjukkan bahwa cairan sederhana dengan viskositas cukup ‘cukup untuk memicu perilaku fraktur mirip padat,’ kata Lima.
Selanjutnya, para peneliti berencana mengidentifikasi mekanisme fisik persis di balik penemuan tak terduga mereka. Satu hipotesis adalah kavitasi, yang merujuk pada pembentukan cepat dan kolapsnya gelombang kejut gelembung uap di dalam cairan.
Yang terpenting, tim yakin bahwa mekanisme ini cukup umum untuk diterapkan pada cairan sederhana lainnya. Jika benar, hal itu akan menawarkan wawasan baru bagi insinyur yang memanipulasi cairan ‘dalam segala hal mulai dari sistem hidrolik hingga pencetak 3D hingga pembuluh darah,’ kata tim tersebut.