在太空搭一座液体的桥
你见过木桥、石桥、铁桥，但是你见过液体的桥吗？
先别急着摇头。
中国的科学家就要在天宫二号上搭建一座液体的桥。
本期小编将带您看看这座搭在太空的液体的桥。
也许孩童时代坐在浴盆里洗澡玩耍的时候，你就见过啦！对，把你的两个沾满水的手指先并拢再轻轻拉开，指间的小液柱就是“液桥”。
虽然你不能站在液桥上看风景，但是液桥在我们的生活中发挥着重要的作用。比如，你可以在沙滩上搭建沙雕城堡，因为水在沙粒之间形成了液桥，使得散沙能够成团。再比如，毛笔蘸了墨水后能形成笔锋，也是因为墨水在笔毫间形成了液桥。
其实，液桥还是太空微重力流体力学研究的一个重要课题。中国的科学家就要在天宫二号上搭建一座液体的桥。
既然液桥现象广泛存在于生活中，那又为什么一定要大费周章地到太空中搭建呢？
答案是因为太空所特有的微重力环境。
在微重力环境下，重力消失后，液体表面张力大显神威。于是，就可以建立起大尺寸的液桥，而这在地面上是不可能做到的事情。
目前，国际空间站上已经做出了直径50毫米的液桥。想让液桥保持稳定是有前提的。理论上讲，需要保证液桥的高度和直径的比例小于一个定值。否则，液桥就会“垮塌”。
此外，与地面上的液桥不同，太空中的液桥可以产生热毛细流动。当液桥两端的温度不一样时，一端热一端冷，在液体表面张力的作用下就会产生热毛细流动。
专家介绍，地球上的物理现象都受到地球重力的制约，如浮力、沉降、压力梯度等。在微重力环境下，在地面上被重力掩盖的因素就开始变得重要。因此，微重力环境能观察到很多地球上不可能观测到的独特现象。
由于地面浮力效应的掩盖，热毛细效应曾经一度被忽视。科学家们曾经以为，只要没有重力，对流就会消失。那么，太空中将是理想的无对流环境，如果在这种环境中制造高纯度晶体，将会得到高纯度的单晶。
因此很多科学家专门在国际空间站和探空火箭上开展了晶体生长实验。但实验结果却让科学家大失所望，晶体还是有条纹缺陷。
最后，科学家发现，在微重力环境下，虽然浮力对流消失了，但是在地面上名不见经传的热毛细对流却起作用了。这大概就是俗话常说的“按下葫芦起了瓢”。更不可思议的是，当温差超过临界条件时，这种热毛细流动还会进入一种振荡流的状态，可以表现为温度的振荡。晶体在生长过程中忽冷忽热，不出现条纹才怪。通过太空和地面的对比实验，科学家才知道，即使在地面热毛细流动也会导致这种条带缺陷微观结构。
中国科学家一直期待能在空间微重力环境中开展实验，揭开热毛细对流的神秘面纱。经过多年努力，液桥热毛细对流研究项目终于拿到了一张天宫二号的“船票”，这也是中国第一次在微重力条件下开展液桥热毛细对流实验。
天宫二号液桥热毛细对流空间实验项目部分实验装置
该项目的主任设计师、中国科学院力学研究所的研究员康琦介绍，这一空间实验的目的是要利用这种在地球上不可能建造出来的大尺寸的液体的桥，来研究在温差诱导的表面张力驱动下，其液体会有什么样的特殊流动规律。
康琦说：“我们都知道，在太空中物体几乎是不受重力作用的，形成了重力接近于零的微重力环境。在这种条件下，浮力对流将会大大减小，那些影响我们研究热毛细对流现象的阻碍因素都会被无限缩小。也就是说，可以将热毛细对流的过程进行真实地展现，从而有利于科学家进行更加深入的剖析和探索。
我们要弄清楚液桥什么时候产生稳定的对流、什么时候对流不稳定，以及不稳定后对流会怎样发展、变化，除了拓展流体物理研究领域、发现新的物质运动规律及提高其对流机理的认识外，对于晶体生长研究也是非常有用的。
地面晶体生长受浮力对流的影响而产生缺陷，空间晶体生长受热毛细对流影响，缺陷也时有发生。研究热毛细对流问题对于在实际工业生产中提高结晶晶体的质量具有重要意义。比如我们想生产出高质量的半导体材料，就要科学控制浮力对流和热毛细对流对单晶硅在晶体生长过程的影响。”
所以说，不远万里到太空完成实验绝对不是浪费纳税人的钱，而是为了看清热毛细对流现象的“真面目”，服务于实际工业生产。为了这个目标，科学家也是蛮拼的。
康琦说，搭建液桥使用的液体是一种低黏度硅油，是很多化妆品中的成分。实验设计这座液桥的直径是20毫米，桥的“跨度”范围是3 ～ 20毫米。如果是在地球上，这样的液桥“跨度”只能做到4毫米。
据介绍，天宫二号上的液桥热毛细对流实验箱重13千克，大小比普通台式电脑还要小。科学家要尝试在太空里做出130多种不同情况的液桥，有的胖、有的瘦、有的高、有的矮。
“实验的难点是，桥不能垮掉，注入的液体内不能有气泡。其实任何液体中都含有空气。所以我们在天宫二号发射前，要将实验用的液体内的气体除掉。”康琦说。
为了配合此次的太空实验，研究人员在地面开展了许多匹配实验研究。他们在实验室利用蓝宝石搭建了一套液桥装置，通过粒子图像测速和红外热像仪等先进设备观测和分析了液桥流动，得到了大量的地面实验数据。
历经3年多的工程研制，热毛细对流箱通过了层层考验。这套装置搭乘天宫二号飞船升空，科学家可以用天地互动的方式开展一系列的空间实验。
科学家们的目标是通过这一太空实验突破并掌握微重力环境下的液桥建桥、液面保持和失稳重建等关键技术，进一步提升中国微重力流体科学的空间实验能力和技术水平。
2016年9月，随着天宫二号的顺利升空，中国空间站建设的大幕正式拉开。《筑梦天宫：从万户飞天到中国空间站》以通俗易懂的语言、精美生动的图片，记录了中国人从万户飞天以来的太空探索历程，描述了在中国首个太空实验室天宫二号上进行的诸多意义重大的科学实验，向广大读者立体呈现出了空间科学实验的无穷魅力。同时，全书描写刻画了多位中国空间研究与应用科学家代表，展现了我国科学家不断追求卓越、勇于创新实践的科学精神。
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