2008年1月8日
化学工程师普渡大学是第一个从数学上精确描述液体在电场中如何形成液滴的人，这一进步可能会应用于从制造业到医疗诊断的各个领域。
这种通过将液体置于电场中产生的小液滴的技术对各种应用都至关重要，从一种被称为电喷涂的工业绘画，到分析化学中的分子分析方法，再到制造用于研究和工业的微小纳米颗粒。欧洲杯猜球平台
普渡大学化学工程学院流体力学Reilly教授Osman Basaran说：“尽管它很重要，但工业界并不真正了解水滴是如何形成的。”。
这张图片是用一种叫做有限元计算的建模技术制作的，它显示了暴露在电场中的液体形成的液滴。普渡大学的化学工程师。
Basaran说，新的发现表明，液体的粘度对液滴的形成和大小起着至关重要的作用，这一发现与传统的认识相矛盾。
研究人员首先创建了模拟来描述液滴的形成，然后他们进行了实验来支持计算工作。
他说:“计算机模拟现在使理解这种现象成为可能。”“但如果可能的话，你总是想用实验数据来备份模拟。”
这些发现的详细内容发表在1月份的《自然物理学》(Nature Physics)杂志上。这篇论文是由化学工程学院的博士生Robert T. Collins、本科生Jeremy J. Jones、Michael T. Harris教授和Basaran共同撰写的。
几十年来，研究人员已经知道，对液滴施加电场会导致前缘形成一个完美的圆锥形结构。
巴萨兰说:“每一滴都呈现出巧克力之吻的形状。”
然后，一束细长的带状液体从液滴的前缘释放出来，并分解成更小的液滴。
“这是大约一个世纪前发现的，”Basaran说。“没有人能够真正准确地展示它是如何发生的，但从技术上来说，它变得非常重要。”
这种方法可以通过在超薄层中喷涂材料来制造柔性电子电路和太阳能电池。
Basaran说:“制造小液滴并控制液滴大小是一件大事，人们正在研究许多技术，以便能够在计算或理论上对这些进行建模。”“知道水滴的大小对许多应用都有好处。你无法预测水滴的大小，除非你有模拟告诉你，链将如何发展和分解成小水滴。”
同样的现象也发生在雨云中。当雨滴携带电荷时，它们就会呈现出细长的足球形状。在足球的两端会形成细丝，这些细丝又会形成小液滴。
巴萨兰说:“同样的，末端会射出这些小束或喷射，它们会分解成水滴。”“一个世纪以来，人们一直怀疑这在雷暴的工作方式中发挥了重要作用。”
了解水滴是如何形成的很困难，因为这些水滴比形成它们的原始液体要薄很多倍，这使得数学计算尤其具有挑战性。
Basaran说:“其他人之前没有完整地解出这些方程，因为它们非常困难，而我们现在在没有任何近似的情况下解出了它们。”
他说，传统的建模方法使用“扩散界面”技术，这并不能精确预测线和水滴是如何形成的。
普渡大学的研究人员使用了一种更精确的方法，即椭圆网格生成有限元法。该技术将材料分解成许多小段，并分别求解控制每段行为的数学方程。使用这种方法，研究人员可以了解构成水滴形成链和水滴的每一段的动态变化形状。
这项技术使得工程师们能够在两股液体和原始液体之间找到巨大的尺寸差异，这一过程属于“多尺度建模”的范围。
Basaran说:“我们的方法允许我们在一个大的计算中进行多尺度建模。”
在实验中，电压被施加到一根小金属棒上，该金属棒位于距离一滩液体大约一英寸的地方。液体被拉向杆的顶端，呈现出锥形的外观。随后，一缕缕的液体变成了液滴，从液锥中释放出来。
普渡大学的研究人员使用粘度大的液体（包括类似于燃料的液体）进行实验，而过去的研究主要集中在像水这样的低粘度液体上。
Basaran说:“这在燃烧应用中可能非常重要，因为燃料是通过喷油器喷射到发动机气缸中的。”“我们研究了高粘度流体，以了解粘度的影响，这是其他人从未见过的。事实证明，粘度实际上对液滴大小有很大影响。”
未来的研究将继续研究液滴的形成如何受到液体其他特性的影响。这些特性包括流体的导电性和表面张力，后者是最近打蜡的汽车上水滴形成的原因。
Basaran说:“我们只是触及了表面，因为流体的粘度和其他特性影响液滴的形成和大小。”“可能会有很多惊喜。”