在太空搭一座液體的橋

中國真正意義上的空間實驗室「天宮二號」即將發射，它是中國空間站的前身，為建造更為複雜的空間站做準備工作。在這個太空實驗室里，中國科學家將開展10多項科學實驗和觀測，大多數是當今世界最前沿的探索領域。

「我報道」近日陸續推出科普文章，為你介紹都有哪些「不明覺厲」的實驗登上了「天宮二號」。

作者：喻菲

漫畫：賀萌

你見過木橋、石橋、鐵橋，但是你見過液體的橋嗎？

先別急著搖頭。

也許在你的孩童時代，坐在浴盆里洗澡玩耍的時候，你就見過啦！對，把你的兩個沾滿水的手指先併攏再輕輕拉開，指間的小液柱就是「液橋」。

雖然你不能站在這樣的橋上看風景，但是液橋在我們的生活中發揮著重要的作用。比如你可以在沙灘上搭建沙雕城堡，是因為水在沙粒之間形成了液橋，使得散沙能夠凝聚成團。再比如毛筆蘸了墨水後能形成筆鋒，也是應為墨水在筆毫間形成了液橋。

其實，液橋還是「太空微重力流體力學研究」的一個重要課題。中國的科學家就要在「天宮二號」上搭建一座液體的橋。

既然液橋現象廣泛存在於生活中，那又為什麼一定要大費周折到太空中搭建呢？

答案是因為太空所特有的微重力環境。

在微重力環境下，重力消失後，液體表面張力大顯神威。於是，就可以建立起大尺寸的液橋，而這在地面上是不可能做到的事情。

目前，國際空間站上已經做出了直徑50毫米的液橋。想讓液橋保持穩定是有前提的，理論上講，需要保證液橋的高度和直徑的比例小於一定值。否則，液橋就會「垮塌」。

此外，與地面上的液橋不同，太空中的液橋可以產生熱毛細流動。當液橋兩端的溫度不一樣的時候，一端熱一端冷，在液體表面張力的作用下，就會產生熱毛細流動。

專家介紹，地球上的物理現象都受到地球重力的制約，比如浮力、沉降、壓力梯度等。在微重力環境下，在地面上被重力掩蓋的因素就開始變得重要。因此，微重力環境能觀察到很多地球上不可能觀測到的獨特現象。

液橋實驗示意圖

由於地面浮力效應的掩蓋，熱毛細效應曾經一度被忽視。科學家們曾經以為，只要沒有重力，對流就會消失。那麼，在太空中將是理想的無對流環境，如果在這種環境中製造高純度晶體，將會得到高純度的單晶。

因此很多科學家專門在國際空間站和探空火箭上開展了晶體生長實驗。但實驗結果卻讓科學家大失所望，晶體還是有條紋缺陷。

最後，科學家發現，在微重力環境下，雖然浮力對流消失了，但是在地面上名不見經傳的熱毛細對流卻起作用了。這大概就是俗話常說的「按下葫蘆起了瓢」。

更不可思議的是，當溫差超過臨界條件時，這種熱毛細流動還會進入一種振蕩流的狀態，可以表現為溫度的振蕩。在晶體生長的過程中忽冷忽熱，不出現條紋才怪。

通過太空和地面的對比實驗，科學家才知道，即使在地面熱毛細流動也會導致這種條帶缺陷微觀結構。

中國科學家一直期待能在空間微重力環境開展實驗，揭開熱毛細對流的神秘面紗。

經過多年努力，「液橋熱毛細對流」研究項目終於拿到了一張「天宮二號」的「船票」，這也是中國第一次在微重力條件下開展液橋熱毛細對流實驗。

該項目主任設計師、中國科學院力學研究所研究員康琦介紹，這一空間實驗的目的是要利用這種在地球上不可能建造出來的大尺寸的液體的橋，來研究在溫差誘導的表面張力驅動下，其液體會有什麼樣的特殊流動規律？

「我們都知道，在太空中物體是幾乎不受重力作用的，形成了重力接近於零的微重力環境。在這種條件下，浮力對流將會大大減小，那些影響我們研究熱毛細對流現象的阻礙因素都會被無限縮小。也就是說可以將熱毛細對流的過程進行真實地展現，從而有利於科學家進行更加深入的剖析和探索。」康琦說。

「我們要弄清楚液橋什麼時候產生穩定的對流，什麼時候對流不穩定，以及不穩定後對流會怎樣發展、變化，除拓展流體物理研究領域、發現新的物質運動規律及提高其對流機理的認識外，對於晶體生長研究也是非常有用的。」康琦說。

康琦說：「地面晶體生長受浮力對流的影響而產生缺陷，空間晶體生長受熱毛細對流影響，缺陷也時有發生。研究熱毛細對流問題對於在實際工業生產中提高結晶晶體的質量具有重要意義。比如我們想生產出高質量的半導體材料，就要科學控制浮力對流和熱毛細對流對單晶硅在晶體生長過程的影響。」

所以說，不遠萬里到太空完成實驗，絕不是浪費納稅人的錢，而是為了看清熱毛細對流現象的「真面目」，服務於實際工業生產。科學家也是蠻拼的。

液橋熱毛細對流實驗箱。

據介紹，「天宮二號」上的液橋熱毛細對流實驗箱重13公斤，大小比普通台式電腦還要小。

康琦說，搭建液橋使用的液體是一種低粘度硅油，這是很多化妝品中的成分。實驗設計這座液橋的直徑是20毫米，橋的「跨度」範圍是3至20毫米。如果是在地球上，這樣的液橋「跨度」只能做到4毫米。

科學家要嘗試在太空里做出130多種不同情況的液橋，有的胖，有的瘦，有的高，有的矮。

「實驗的難點是，橋不能垮掉，注入的液體內不能有氣泡。其實任何液體中都含有空氣。所以我們在『天宮二號』發射前，要將實驗用的液體內的氣體除掉。」康琦說。

為配合此次太空實驗，研究人員在地面開展許多匹配實驗研究。他們在實驗室利用藍寶石搭建了一套液橋裝置，通過粒子圖像測速和紅外熱像儀等先進設備觀測和分析液橋流動，得到了大量的地面實驗數據。

歷經3年多的工程研製，熱毛細對流箱通過了層層考驗。這套裝置搭乘「天宮二號」飛船升空，科學家可以用天地互動的方式開展一系列的空間實驗。

「天宮二號」熱毛細對流空間實驗項目副主任設計師、中國科學院力學研究所段俐研究員說，由於空間實驗機會少、成本較高，而且熱毛細對流現象與其影響因素之間的關係並不是用簡單公式就可以準確描述的，所以需要進行地面實驗，為空間實驗的順利進行提供科學合理的參考範圍。除了隨「天宮二號」上天的實驗裝置，在地面還預先設置了相同的實驗裝置。此次實驗中，空間實驗室與地面實驗室所採用的液橋實驗儀器是相同的。

文中配圖除漫畫製圖外，均由中科院力學研究所提供。

致謝：

中科院力學研究所

中科院空間應用工程與技術中心（總體部）

（編輯：呼濤）

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