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中国科学家要在天宫二号上搭建液桥

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新华社北京9月21日电(记者喻菲)你见过木桥、石桥、铁桥,但是你见过液体的桥吗?中国科学家就要在天宫二号上搭建一座液体的桥。

液桥是“太空微重力流体力学研究”的一个重要课题。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。

图为漫画:一座液体的桥。新华社发

  图为漫画:一座液体的桥。新华社发

专家介绍,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的时候,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。

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,在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。中国科学家一直期待能在空间微重力环境开展实验,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。

液桥实验示意图。新华社发

  液桥实验示意图。新华社发

该项目主任设计师、中国科学院力学研究所研究员康琦介绍,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?

“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。”康琦说。

康琦说,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。

据介绍,天宫二号上的液桥热毛细对流实验箱重13公斤,大小比普通台式电脑还要小。

图为液桥实验装置的漫画。新华社发

  液桥实验装置。新华社发

康琦说,搭建液桥使用的液体是一种低粘度硅油,这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至20毫米。如果是在地球上,这样的液桥“跨度”只能做到4毫米。

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。

为配合此次太空实验,研究人员在地面开展许多匹配实验研究。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。

天宫二号热毛细对流空间实验项目副主任设计师、中国科学院力学研究所段俐研究员说,由于空间实验机会少、成本较高,而且热毛细对流现象与其影响因素之间的关系并不是用简单公式就可以准确描述的,所以需要进行地面实验,为空间实验的顺利进行提供科学合理的参考范围。

(原标题:中国科学家要在天宫二号上搭建液桥)

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