Итай Коэн (Itai Cohen) из Корнелльского университета (США) совместно с группой коллег провел эксперимент, существенно прояснивший природу неньютоновских жидкостей. Новые знания помогут создать ряд эффективных материалов, пригодных для применения в самых разных областях – от шлемов для космических скафандров до бронежилетов.

Неньютоновской жидкостью называют взвесь, в составе которой, кроме базовой воды, присутствуют сторонние крупные молекулы. Типичным ее примером является смесь кукурузного крахмала и воды. Когда ее оставляют в покое, она ведет себя как жидкость, свободно вытекая через любую дырку. Но стоит нажать – и смесь на глазах твердеет, причем чем сильнее нажатие, тем больше поверхность неньютоновской жидкости ведет себя как твердое тело. Дело доходит до того, что в северных штатах США мешки с ней зимой бросают прямо в дорожные ямы: жидкость свободно растекается по яме, однако под нагрузкой молниеносно твердеет так, что в нее не уходит даже колесо крупного грузовика. В России ее чаще всего можно встретить в виде так называемой ''жвачки для рук'', детской игрушки, состоящей из куска густой неньютоновской жидкости на полимерной основе.

Очевидно, что материалы такого рода могут иметь массу применений. Допустим, оболочка для шлема скафандра, содержащая неньютоновскую жидкость в прослойке между внутренней и внешней поверхностями шлема, может идеально прилегать к голове, однако при сильном ударе молниеносно твердеть и защищать ее от повреждения при пробое шлема. Сходным образом можно решить и проблему плотного прилегания бронежилетов к телу их носителя (если он прилегает неплотно, то после пулевых попаданий на теле человека возникают синяки от вторичного удара материалом бронежилета).

Одна беда: для проектирования таких деликатных вещей нужно уметь точно рассчитывать параметры материала при различных внешних нагрузках. А сделать это можно только в том случае, если есть четкое понимание строения самого материала. На сегодняшний день его нет, присутствуют лишь две группы гипотез. Согласно первой, свойства жидкости придают гидродинамические кластеры, небольшие участки жидкости, отделенные друг от друга молекулами взвеси (того же кукурузного крахмала). Вторая гипотеза утверждает, что все дело в трении частиц взвеси друг о друга: при росте внешней нагрузки молекулы твердых веществ начинают чаще сталкиваться друг с другом, передавая соседям кинетическую энергию, что и придает жидкости свойства твердого тела.

Чтобы проверить, как обстоят дела на практике, Итай Коэн поставил эксперимент с так называемым обращением потока. Для этого в емкость с неньютоновской жидкостью опустили конус, который затем начали вращать. От этого сопротивление вращению в жидкости закономерно стало возрастать, что и было зафиксировано сложным по устройству динамометром. Вслед за этим конус вдруг стали вращать в противоположную сторону. Если свойства материала определялись гидродинамическими кластерами, он не должен был отреагировать на смену направления вращения конуса. Однако если ключевым механизмом ''отвердения'' жидкости было именно трение, то смена направления вращения должна была временно рассоединить конгломераты из молекул взвеси, после чего сопротивление вращению обязано на короткое время резко упасть.

На первый взгляд простой эксперимент оказался успешным и крайне результативным: спад сопротивления вращению, предсказанный второй гипотезой, действительно случился. Как минимум для той неньютоновской жидкости, с которой группа Коэна проводила эксперимент, верной оказалась вторая гипотеза. Сотрудники Корнелльского университета полагают, что ее подтверждение уже в ближайшие годы позволит резко продвинуться в проектировании систем, использующих неньютоновские жидкости в самых разных видах техники.