中國科學家要在天宮二號上搭建液橋

【亞太日報訊】（記者喻菲）你見過木橋、石橋、鐵橋，但是你見過液體的橋嗎？中國科學家就要在天宮二號上搭建一座液體的橋。

液橋是“太空微重力流體力學研究”的一個重要課題。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。

專家介紹，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。

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。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，其液體會有什么樣的特殊流動規律？

“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品質具有重要意義。比如我們想生產出高品質的半導體材料，就要科學控制浮力對流和熱毛細對流對單晶矽在晶體生長過程的影響。

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

康琦說，搭建液橋使用的液體是一種低粘度硅油，這是很多化粧品中的成分。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裏做出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。