液桥是座什么桥？——“天宫二号”液桥热毛细对流实验

◎文/中国科学院力学研究所 吴笛

液桥是座什么桥？
——“天宫二号”液桥热毛细对流实验

◎文/中国科学院力学研究所 吴笛

“天宫二号”的自我介绍：

嗨，同学们好！也许你已经听说了，2016年9月15日我从酒泉卫星发射中心成功飞向太空。我是一个真正意义上的空间实验室，而且我这次到太空将要开展10余项空间科学与应用项目，应用项目是我国载人航天历次任务中最多的一次哦。其中，涉及微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究以及新技术试验等多个领域。今天我想为大家介绍的就是其中一项—液桥热毛细对流实验项目。一听这个名字好像很复杂，别急，让我带你慢慢看个究竟！

著名的赵州桥

液体组成的桥——液桥

说到桥，大家首先想到的应该是交通道路的桥梁结构，比如独木桥、石拱桥、钢筋混凝土桥、斜拉桥等等，这些桥都是由质地坚硬的固体结构材料搭建而成的。

那么，你是否见过一种桥是由水或者液体做成的呢？答案是肯定的！当你在洗手的时候，指间的小液柱就是液桥。

什么是液桥？

液桥其实并不是我们常见的交通运输的桥梁，而是在固体间的小液柱。之所以被称为液桥，是因为“桥”字有连接两地的含义，液桥就是连接着两个固体表面之间的一段液体。所以，你若想站在液桥上看风景，那是不可以的哦！

液桥如何形成？

气液界面之间存在着表面张力，使得液体表面好比有一层很薄的弹性薄膜一样。正是这样一层“虚拟”的薄膜，使得液桥的表面形貌得以维持，而不会垮塌。由于表面张力很弱，所以在正常重力环境下形成的液桥尺寸很小（通常只有几毫米），超过这个尺寸，液桥将无法平衡其重力而垮塌。

你能把液桥拉多长？

液桥的尺寸虽小，可是却不能小看它的作用哦！我们一定有这样的体会∶在沙滩上，如果用手捏一把干燥的细沙，松手还是散沙；但是如果在沙子中掺一点水，就可以捏出各种形状的沙团。

干燥的细沙

这是因为干燥的散沙加入水后，水在细微的沙子颗粒之间形成了液桥，使得散沙能聚集起来。我们用写字的毛笔，蘸了墨水后能形成一个笔锋，也是因为在笔毫间形成了液桥。仔细观察，生活中液桥的例子还有很多。

掺水的沙

毛笔蘸墨水后形成笔锋

沙粒间液桥对沙粒的作用

神秘的空间实验装置

也许你觉得这些生活中的小例子不足为奇，但其实，液桥是“太空微重力流体力学研究”的一个重要课题。

你知道吗？在“天宫二号”上就搭载着这样一个神秘的科学实验装置—液桥热毛细对流实验箱，专门用来开展液桥热毛细对流实验。

这套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。红色电接口完成装置的供电和通信。科学家在地面安排实验动作并上传指令，实验箱收到指令后，内部机构将相互配合完成一系列的实验操作。

“天宫二号”上的液桥热毛细对流实验箱

>太空中的液桥和地面上的液桥有何不同？>

特点1：可以建立大尺寸液桥

在微重力环境下，重力几近消失，物体处于漂浮的状态。地面上只能形成的小液滴，到了空间站便可以形成大的液球。这是因为重力消失后，表面张力大显神威。

于是，利用太空的微重力环境，可以建立起很大尺寸的液桥，而这在地面上将是不可能的事情。

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定值。否则，液桥过于细长，即使是在太空还是会“断桥”。

在太空中拧湿毛巾的效果

太空中液桥不稳定断桥过程

特点2：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，会产生热毛细流动。热毛细流动是空间微重力环境下的主要自然对流形式。

表面张力会随着温度变化，温度高的地方表面张力低，温度低的地方表面张力高，表面张力不均匀成为驱动微重力流动的因素。由于表面张力又称毛细力，所以这种表面张力温度效应驱动流动，又称为热毛细流动。

表面张力驱动的液桥热毛细对流机理

微重力环境下的对流和地面自然对流有很大的不同∶

在地面上，浮力对流是自然对流的主要形式，流体受热膨胀后，就会往上浮；而流体冷却缩小后，就会下沉，自然对流就形成了。

要知道，从开水壶里的流动到大气环流都是浮力对流机制。产生浮力对流的根本原因是重力作用，所以在空间微重力环境下，浮力对流消失，热毛细流动开始主导自然对流。

正常重力环境下的浮力对流

令科学家头疼的热毛细流动

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，太空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。

但是，现实永远是残酷的。很多科学家专门在国际空间站和探空火箭上（微重力环境）开展了晶体生长实验。结果呢？与地面类似，晶体还是有条纹缺陷。

生长出的高纯（99.999%）单晶钽

晶体生长得到的条带缺陷

最后，科学家发现，在微重力环境下自然对流并没有消失。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，变成了拦路虎，这大约就是俗话常说的“按了葫芦起了瓢”吧。

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。想想晶体在生长的过程中，忽冷忽热的，不出现条纹才怪！通过太空和地面的对比实验，人们才知道，即使在地面热毛细流动也会导致这种条带缺陷微观结构。所以说，热毛细流动震荡就是晶体生长中一个专搞破坏的“熊孩子”。

第一次太空液桥实验

我国科学家一直以来期待着能在空间微重力环境进行实验，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”，这也是我国第一次在微重力条件下开展液桥热毛细对流实验。

让我们一起期待这套空间科学实验装置带来丰硕的科学成果，探寻神奇的热毛细对流更深层次的奥秘吧！

（本文首发于“科学大院”微信公众号，由中国科学院力学研究所供稿。）