水滴什么時(shí)候會(huì)爆炸？新發(fā)現(xiàn)太神奇了

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(qiáng)度的電場(chǎng)？然而這個(gè)公式卻是出人意料的簡(jiǎn)單。

物理學(xué)家研究這個(gè)無(wú)窮小的現(xiàn)象已有數(shù)十年，但盡管整體的理論概念相對(duì)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(gè)公式將為太空推進(jìn)、質(zhì)譜分析、高分辨率打印、空氣凈化、分子分析等各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)全新的進(jìn)展。

水滴的頂端由于電場(chǎng)越來(lái)越強(qiáng)而爆裂。來(lái)源：MIT

來(lái)自麻省理工學(xué)院機(jī)械工程與物理的研究生Justin Beroz說(shuō)道：“在這項(xiàng)公式面世之前，工程師和科學(xué)家們必須進(jìn)行周密的模擬計(jì)算，以評(píng)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(tuán)隊(duì)在論文中描述的這種現(xiàn)象其實(shí)在現(xiàn)實(shí)世界中一直都在發(fā)生，但人們幾乎看不見(jiàn)。

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

近年來(lái)，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(chǎng)來(lái)操縱和移動(dòng)液滴，但仍然沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)計(jì)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(chǎng)足夠強(qiáng)，液滴就會(huì)在某一個(gè)時(shí)刻無(wú)法維持平衡，開(kāi)始變得不穩(wěn)定繼而爆裂。

不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)水滴形狀的影響。圖：MIT

看來(lái)現(xiàn)在我們終于明白了。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，Beroz及其團(tuán)隊(duì)用高速攝像機(jī)拍攝了置于帶電金屬板上的水滴，并著眼于電場(chǎng)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(gè)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(wú)論靜止還是滑動(dòng)）或自由漂浮于空中時(shí)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(guò)液滴的高度（和半徑）來(lái)計(jì)算穩(wěn)定極限。

“在過(guò)去的100年里，大家約定俗成的方式是使用高度來(lái)計(jì)算，”Beroz說(shuō)道，“但當(dāng)水滴變形時(shí)，它的高度也會(huì)發(fā)生變化，因此這個(gè)問(wèn)題的數(shù)學(xué)復(fù)雜性受制于液滴的高度這個(gè)維度。而從另一方面來(lái)看，無(wú)論液滴在電場(chǎng)中如何變形，它的體積都會(huì)保持不變?！?/p>

關(guān)于這個(gè)新方程，研究小組表示，只要你知道5個(gè)必要參數(shù)即液滴的表面張力、電場(chǎng)強(qiáng)度、空氣介電常數(shù)、體積和半徑中的4個(gè)，就可以通過(guò)計(jì)算，得出第五個(gè)參數(shù)的值，從而進(jìn)一步算出液滴的穩(wěn)定極限。

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

Beroz表示：“考慮到這個(gè)問(wèn)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(jiǎn)單?！?/p>