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。

    中國的科學家就要在天宮二號上搭建一座液體的橋。

    本期小編將帶您看看這座搭在太空的液體的橋。

    也許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并攏再輕輕拉開，指間的小液柱就是“液橋”。

    雖然你不能站在液橋上看風景，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，因為水在沙粒之間形成了液橋，使得散沙能夠成團。再比如，毛筆蘸了墨水后能形成筆鋒，也是因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于生活中，那又為什么一定要大費周章地到太空中搭建呢？

    答案是因為太空所特有的微重力環境。

    在微重力環境下，重力消失后，液體表面張力大顯神威。于是，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于一個定值。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時，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，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。

    由于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。那么，太空中將是理想的無對流環境，如果在這種環境中制造高純度晶體，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。

    最后，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。晶體在生長過程中忽冷忽熱，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中開展實驗，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于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。

    天宮二號液橋熱毛細對流空間實驗項目部分實驗裝置

    該項目的主任設計師、中國科學院力學研究所的研究員康琦介紹，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，其液體會有什么樣的特殊流動規律。

    康琦說：“我們都知道，在太空中物體幾乎是不受重力作用的，形成了重力接近于零的微重力環境。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，從而有利于科學家進行更加深入的剖析和探索。

    我們要弄清楚液橋什么時候產生穩定的對流、什么時候對流不穩定，以及不穩定后對流會怎樣發展、變化，除了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，對于晶體生長研究也是非常有用的。

    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于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對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”，服務于實際工業生產。為了這個目標，科學家也是蠻拼的。

    康琦說，搭建液橋使用的液體是一種低黏度硅油，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”范圍是3 ～ 20毫米。如果是在地球上，這樣的液橋“跨度”只能做到4毫米。

    據介紹，天宮二號上的液橋熱毛細對流實驗箱重13千克，大小比普通臺式電腦還要小。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。

    為了配合此次的太空實驗，研究人員在地面開展了許多匹配實驗研究。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了液橋流動，得到了大量的地面實驗數據。

    歷經3年多的工程研制，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。

    科學家們的目標是通過這一太空實驗突破并掌握微重力環境下的液橋建橋、液面保持和失穩重建等關鍵技術，進一步提升中國微重力流體科學的空間實驗能力和技術水平。

    2016年9月，隨著天宮二號的順利升空，中國空間站建設的大幕正式拉開。《筑夢天宮：從萬戶飛天到中國空間站》以通俗易懂的語言、精美生動的圖片，記錄了中國人從萬戶飛天以來的太空探索歷程，描述了在中國首個太空實驗室天宮二號上進行的諸多意義重大的科學實驗，向廣大讀者立體呈現出了空間科學實驗的無窮魅力。同時，全書描寫刻畫了多位中國空間研究與應用科學家代表，展現了我國科學家不斷追求卓越、勇于創新實踐的科學精神。

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責任編輯：殷鵬飛

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