水滴什么時候會爆炸？新發(fā)現(xiàn)太神奇了

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個公式，它控制著物理學(xué)中看似最不可知的極限之一：水滴在爆炸前能承受多大強度的電場？然而這個公式卻是出人意料的簡單。

物理學(xué)家研究這個無窮小的現(xiàn)象已有數(shù)十年，但盡管整體的理論概念相對容易，但要弄清楚這種帶電爆炸則完全不可能。

研究人員表示，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的這個公式將為太空推進、質(zhì)譜分析、高分辨率打印、空氣凈化、分子分析等各個領(lǐng)域帶來全新的進展。

水滴的頂端由于電場越來越強而爆裂。來源：MIT

來自麻省理工學(xué)院機械工程與物理的研究生Justin Beroz說道：“在這項公式面世之前，工程師和科學(xué)家們必須進行周密的模擬計算，以評估帶電液滴的穩(wěn)定性。但利用我們的方程式，直接拿出紙筆就可以立刻得出結(jié)果?！?/p>

該研究團隊在論文中描述的這種現(xiàn)象其實在現(xiàn)實世界中一直都在發(fā)生，但人們幾乎看不見。

當(dāng)雨滴從天空落下時，受到風(fēng)暴云產(chǎn)生的電場的影響，將水分子以球形結(jié)合的表面張力就會失去對水分子的控制，而電場則會隨著電荷在水滴表面的不斷積聚，將水滴向外拉扯。

近年來，已經(jīng)有不少微流體學(xué)的研究者利用這種效應(yīng)，用電場來操縱和移動液滴，但仍然沒有一個簡單有效的方法來計算水滴的穩(wěn)定極限，即水滴在電應(yīng)力作用下保持完整、或發(fā)生爆裂的理論閾值。

因此，當(dāng)電場足夠強，液滴就會在某一個時刻無法維持平衡，開始變得不穩(wěn)定繼而爆裂。

不同電場強度對水滴形狀的影響。圖：MIT

看來現(xiàn)在我們終于明白了。

在實驗過程中，Beroz及其團隊用高速攝像機拍攝了置于帶電金屬板上的水滴，并著眼于電場迫使液滴爆炸前的那一刻，在那一瞬間觀察水滴的臨界穩(wěn)定形狀。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這個穩(wěn)定極限受到了冪次法則的限制，該定律可以解釋水滴處于物體表面（無論靜止還是滑動）或自由漂浮于空中時的破裂閾值。

研究人員表示，他們發(fā)現(xiàn)的冪律公式的自變量主要是液滴的體積和半徑，而先前的理論方法則是通過液滴的高度（和半徑）來計算穩(wěn)定極限。

“在過去的100年里，大家約定俗成的方式是使用高度來計算，”Beroz說道，“但當(dāng)水滴變形時，它的高度也會發(fā)生變化，因此這個問題的數(shù)學(xué)復(fù)雜性受制于液滴的高度這個維度。而從另一方面來看，無論液滴在電場中如何變形，它的體積都會保持不變?！?/p>

關(guān)于這個新方程，研究小組表示，只要你知道5個必要參數(shù)即液滴的表面張力、電場強度、空氣介電常數(shù)、體積和半徑中的4個，就可以通過計算，得出第五個參數(shù)的值，從而進一步算出液滴的穩(wěn)定極限。

這是一場持久戰(zhàn)的戰(zhàn)果，將徹底改變數(shù)個科學(xué)領(lǐng)域的理論理解，從而在靜電紡絲、靜電過濾和破乳（反乳化）等工業(yè)過程中取得新進展。

Beroz表示：“考慮到這個問題的數(shù)學(xué)復(fù)雜性，該研究得出的結(jié)果出乎意料的簡單?！?/p>