◎文/中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 吳笛

液橋是座什么橋？
——“天宮二號(hào)”液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)

◎文/中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所 吳笛

“天宮二號(hào)”的自我介紹：

嗨，同學(xué)們好！也許你已經(jīng)聽說了，2016年9月15日我從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功飛向太空。我是一個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室，而且我這次到太空將要開展10余項(xiàng)空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目，應(yīng)用項(xiàng)目是我國(guó)載人航天歷次任務(wù)中最多的一次哦。其中，涉及微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)及地球科學(xué)研究以及新技術(shù)試驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域。今天我想為大家介紹的就是其中一項(xiàng)—液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。一聽這個(gè)名字好像很復(fù)雜，別急，讓我?guī)懵磦€(gè)究竟！

著名的趙州橋

液體組成的橋——液橋

說到橋，大家首先想到的應(yīng)該是交通道路的橋梁結(jié)構(gòu)，比如獨(dú)木橋、石拱橋、鋼筋混凝土橋、斜拉橋等等，這些橋都是由質(zhì)地堅(jiān)硬的固體結(jié)構(gòu)材料搭建而成的。

那么，你是否見過一種橋是由水或者液體做成的呢？答案是肯定的！當(dāng)你在洗手的時(shí)候，指間的小液柱就是液橋。

什么是液橋？

液橋其實(shí)并不是我們常見的交通運(yùn)輸?shù)臉蛄?，而是在固體間的小液柱。之所以被稱為液橋，是因?yàn)椤皹颉弊钟羞B接兩地的含義，液橋就是連接著兩個(gè)固體表面之間的一段液體。所以，你若想站在液橋上看風(fēng)景，那是不可以的哦！

液橋如何形成？

氣液界面之間存在著表面張力，使得液體表面好比有一層很薄的彈性薄膜一樣。正是這樣一層“虛擬”的薄膜，使得液橋的表面形貌得以維持，而不會(huì)垮塌。由于表面張力很弱，所以在正常重力環(huán)境下形成的液橋尺寸很小（通常只有幾毫米），超過這個(gè)尺寸，液橋?qū)o法平衡其重力而垮塌。

你能把液橋拉多長(zhǎng)？

液橋的尺寸雖小，可是卻不能小看它的作用哦！我們一定有這樣的體會(huì)∶在沙灘上，如果用手捏一把干燥的細(xì)沙，松手還是散沙；但是如果在沙子中摻一點(diǎn)水，就可以捏出各種形狀的沙團(tuán)。

干燥的細(xì)沙

這是因?yàn)楦稍锏纳⑸臣尤胨?，水在?xì)微的沙子顆粒之間形成了液橋，使得散沙能聚集起來。我們用寫字的毛筆，蘸了墨水后能形成一個(gè)筆鋒，也是因?yàn)樵诠P毫間形成了液橋。仔細(xì)觀察，生活中液橋的例子還有很多。

摻水的沙

毛筆蘸墨水后形成筆鋒

沙粒間液橋?qū)ι沉５淖饔?/p>

神秘的空間實(shí)驗(yàn)裝置

也許你覺得這些生活中的小例子不足為奇，但其實(shí)，液橋是“太空微重力流體力學(xué)研究”的一個(gè)重要課題。

你知道嗎？在“天宮二號(hào)”上就搭載著這樣一個(gè)神秘的科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置—液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)箱，專門用來開展液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)。

這套液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)箱重13千克，大小比普通臺(tái)式電腦還要小。紅色電接口完成裝置的供電和通信?？茖W(xué)家在地面安排實(shí)驗(yàn)動(dòng)作并上傳指令，實(shí)驗(yàn)箱收到指令后，內(nèi)部機(jī)構(gòu)將相互配合完成一系列的實(shí)驗(yàn)操作。

“天宮二號(hào)”上的液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)箱

>太空中的液橋和地面上的液橋有何不同？>

特點(diǎn)1：可以建立大尺寸液橋

在微重力環(huán)境下，重力幾近消失，物體處于漂浮的狀態(tài)。地面上只能形成的小液滴，到了空間站便可以形成大的液球。這是因?yàn)橹亓οШ?，表面張力大顯神威。

于是，利用太空的微重力環(huán)境，可以建立起很大尺寸的液橋，而這在地面上將是不可能的事情。

目前，國(guó)際空間站上已經(jīng)做出了直徑50毫米的液橋。想讓液橋保持穩(wěn)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定值。否則，液橋過于細(xì)長(zhǎng)，即使是在太空還是會(huì)“斷橋”。

在太空中擰濕毛巾的效果

太空中液橋不穩(wěn)定斷橋過程

特點(diǎn)2：可以產(chǎn)生熱毛細(xì)流動(dòng)

當(dāng)液橋兩端的溫度不一樣的時(shí)候，一端熱一端冷，在液體表面張力的作用下，會(huì)產(chǎn)生熱毛細(xì)流動(dòng)。熱毛細(xì)流動(dòng)是空間微重力環(huán)境下的主要自然對(duì)流形式。

表面張力會(huì)隨著溫度變化，溫度高的地方表面張力低，溫度低的地方表面張力高，表面張力不均勻成為驅(qū)動(dòng)微重力流動(dòng)的因素。由于表面張力又稱毛細(xì)力，所以這種表面張力溫度效應(yīng)驅(qū)動(dòng)流動(dòng)，又稱為熱毛細(xì)流動(dòng)。

表面張力驅(qū)動(dòng)的液橋熱毛細(xì)對(duì)流機(jī)理

微重力環(huán)境下的對(duì)流和地面自然對(duì)流有很大的不同∶

在地面上，浮力對(duì)流是自然對(duì)流的主要形式，流體受熱膨脹后，就會(huì)往上浮；而流體冷卻縮小后，就會(huì)下沉，自然對(duì)流就形成了。

要知道，從開水壺里的流動(dòng)到大氣環(huán)流都是浮力對(duì)流機(jī)制。產(chǎn)生浮力對(duì)流的根本原因是重力作用，所以在空間微重力環(huán)境下，浮力對(duì)流消失，熱毛細(xì)流動(dòng)開始主導(dǎo)自然對(duì)流。

正常重力環(huán)境下的浮力對(duì)流

令科學(xué)家頭疼的熱毛細(xì)流動(dòng)

由于地面浮力效應(yīng)的掩蓋，熱毛細(xì)效應(yīng)曾經(jīng)一度被忽視。科學(xué)家們?cè)?jīng)以為，只要沒有重力，對(duì)流就會(huì)消失。那么，太空將是理想的無對(duì)流環(huán)境，如果在這種環(huán)境中制造高純度晶體，將會(huì)得到高純度的單晶。

但是，現(xiàn)實(shí)永遠(yuǎn)是殘酷的。很多科學(xué)家專門在國(guó)際空間站和探空火箭上（微重力環(huán)境）開展了晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果呢？與地面類似，晶體還是有條紋缺陷。

生長(zhǎng)出的高純（99.999%）單晶鉭

晶體生長(zhǎng)得到的條帶缺陷

最后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在微重力環(huán)境下自然對(duì)流并沒有消失。雖然浮力對(duì)流消失了，但是在地面上名不見經(jīng)傳的熱毛細(xì)對(duì)流卻起作用了，變成了攔路虎，這大約就是俗話常說的“按了葫蘆起了瓢”吧。

更不可思議的是，當(dāng)溫差超過臨界條件時(shí)，這種熱毛細(xì)流動(dòng)還會(huì)進(jìn)入一種振蕩流的狀態(tài)，可以表現(xiàn)為溫度的振蕩。想想晶體在生長(zhǎng)的過程中，忽冷忽熱的，不出現(xiàn)條紋才怪！通過太空和地面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，人們才知道，即使在地面熱毛細(xì)流動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致這種條帶缺陷微觀結(jié)構(gòu)。所以說，熱毛細(xì)流動(dòng)震蕩就是晶體生長(zhǎng)中一個(gè)專搞破壞的“熊孩子”。

第一次太空液橋?qū)嶒?yàn)

我國(guó)科學(xué)家一直以來期待著能在空間微重力環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，揭開熱毛細(xì)對(duì)流的神秘面紗。經(jīng)過多年努力，“液橋熱毛細(xì)對(duì)流”研究項(xiàng)目終于拿到了一張“天宮二號(hào)”的“船票”，這也是我國(guó)第一次在微重力條件下開展液橋熱毛細(xì)對(duì)流實(shí)驗(yàn)。

讓我們一起期待這套空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置帶來豐碩的科學(xué)成果，探尋神奇的熱毛細(xì)對(duì)流更深層次的奧秘吧！

（本文首發(fā)于“科學(xué)大院”微信公眾號(hào)，由中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所供稿。）