科學家們發現了一個出人意料的簡單公式，它支配著物理學中一個看似最不可知的極限：確定水滴在爆炸前能承受多大的電場。幾十年來，物理學家們一直在研究這種無限小的現象，但儘管整個概念可能很容易想象，但要弄清支撐這種帶電爆炸的數學關係卻絕非易事。現在科學家們已經找到了這個公式，他們說，這個公式可能會帶來從太空推進到質譜分析、高分辨率打印、空氣淨化、分子分析等各個領域的新進展。
- 由於電場越來越強，水滴的頂端會爆裂。
來自麻省理工學院的機械工程和物理研究生賈斯汀·貝洛茲解釋說：“在我們得出這個結果之前，工程師和科學家必須進行計算密集型的模擬，以評估帶電液滴的穩定性。”“有了我們的方程式，人們可以通過簡單的紙筆計算，立即預測這種行為。”
這不是一個非物理學家花很多時間思考的問題，但是Beroz和他的團隊在他們的新論文中描述的現象是在現實世界中每時每刻都在發生的事情，即使它對人類來說幾乎是看不見的。當雨滴穿過天空並受到雷暴雲產生的電場的影響時，或者當雨滴暴露在其他來源的電場中時，例如電線，就會發生這種情況。
當這種情況發生時，表面張力會使水分子聚集成一個球形，從而失去對H2O的控制，隨著電荷在液滴表面積聚，電場會將液滴有效地向外拉。在最近一段時間，這樣的行為已經利用微流體研究人員與電場操縱和移動滴，但科學家們仍然沒有計算穩定極限的簡單方法：理論閾值的水滴在保持整體或破裂等應對電氣壓力。
- 由於電場強度的不同，水滴的形狀也不同。
“在某一時刻，如果電場足夠強，液滴就找不到平衡電磁力的形狀，”貝洛茲說，“到那一刻，它就會變得不穩定並爆炸。”現在，看起來我們終於找到答案了。在實驗中，Beroz和他的團隊觀察了滴在帶電金屬板上的水滴的行為，並用高速攝像機拍攝了結果。
通過專注於電場的確切時刻之前迫使液滴破裂，並在那一瞬間觀察其臨界穩定的形狀——研究人員發現穩定極限是由一個冪律，可以解釋液滴的破裂閾值在一個表面上(不管是靜止或滑動)或自由漂浮在空中。根據研究人員的說法，他們發現冪律公式主要圍繞液滴的體積和半徑旋轉，而之前的理論方法是通過液滴的高度(和半徑)來計算穩定極限。
“但當液滴變形時，它的高度會發生變化，因此這個問題的數學複雜性與高度有關。另一方面，無論液滴在電場中如何變形，它的體積都是固定的。”有了這個新的方程，研究小組說，只要你知道五個必要參數中的四個——液滴表面張力、電場強度、空氣電介電常數，以及體積和半徑——你就可以計算出第五個參數，從而計算出穩定性極限。
這是一項經過很長時間才實現的成就，它可能徹底改變我們在科學的幾個領域的理論理解，導致工業過程的潛在進展，如靜電紡絲、靜電過濾和破乳。從理論的角度來看，考慮到問題的數學複雜性，這是一個出乎意料的簡單結果。