水滴什麼時候會爆炸?新發現太神奇了

科學家們發現了一個公式，它控制著物理學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。

物理學家研究這個無窮小的現象已有數十年，但儘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，現在發現的這個公式將為太空推進、質譜分析、高解析度列印、空氣淨化、分子分析等各個領域帶來全新的進展。

水滴的頂端由於電場越來越強而爆裂。來源：MIT

來自麻省理工學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，工程師和科學家們必須進行周密的模擬計算，以評估帶電液滴的穩定性。但利用我們的方程式，直接拿出紙筆就可以立刻得出結果。」

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

當雨滴從天空落下時，受到風暴雲產生的電場的影響，將水分子以球形結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，已經有不少微流體學的研究者利用這種效應，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定極限，即水滴在電應力作用下保持完整、或發生爆裂的理論閾值。

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

不同電場強度對水滴形狀的影響。圖：MIT

看來現在我們終於明白了。

在實驗過程中，Beroz及其團隊用高速攝像機拍攝了置於帶電金屬板上的水滴，並著眼於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定形狀。

研究人員發現，這個穩定極限受到了冪次法則的限制，該定律可以解釋水滴處於物體表面（無論靜止還是滑動）或自由漂浮於空中時的破裂閾值。

研究人員表示，他們發現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）來計算穩定極限。

「在過去的100年裡，大家約定俗成的方式是使用高度來計算，」Beroz說道，「但當水滴變形時，它的高度也會發生變化，因此這個問題的數學複雜性受制於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。」

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

這是一場持久戰的戰果，將徹底改變數個科學領域的理論理解，從而在靜電紡絲、靜電過濾和破乳（反乳化）等工業過程中取得新進展。

Beroz表示：「考慮到這個問題的數學複雜性，該研究得出的結果出乎意料的簡單。」