液橋是座什么橋？
——“天宮二號”液橋熱毛細對流實驗

◎文/中國科學院力學研究所 吳笛

液橋是座什么橋？
——“天宮二號”液橋熱毛細對流實驗

◎文/中國科學院力學研究所 吳笛

“天宮二號”的自我介紹：

嗨，同學們好！也許你已經聽說了，2016年9月15日我從酒泉衛星發射中心成功飛向太空。我是一個真正意義上的空間實驗室，而且我這次到太空將要開展10余項空間科學與應用項目，應用項目是我國載人航天歷次任務中最多的一次哦。其中，涉及微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文探測、空間環境監測、對地觀測及地球科學研究以及新技術試驗等多個領域。今天我想為大家介紹的就是其中一項—液橋熱毛細對流實驗項目。一聽這個名字好像很復雜，別急，讓我帶你慢慢看個究竟！

著名的趙州橋

液體組成的橋——液橋

說到橋，大家首先想到的應該是交通道路的橋梁結構，比如獨木橋、石拱橋、鋼筋混凝土橋、斜拉橋等等，這些橋都是由質地堅硬的固體結構材料搭建而成的。

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！當你在洗手的時候，指間的小液柱就是液橋。

什么是液橋？

液橋其實并不是我們常見的交通運輸的橋梁，而是在固體間的小液柱。之所以被稱為液橋，是因為“橋”字有連接兩地的含義，液橋就是連接著兩個固體表面之間的一段液體。所以，你若想站在液橋上看風景，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，而不會垮塌。由于表面張力很弱，所以在正常重力環境下形成的液橋尺寸很小（通常只有幾毫米），超過這個尺寸，液橋將無法平衡其重力而垮塌。

你能把液橋拉多長？

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∶在沙灘上，如果用手捏一把干燥的細沙，松手還是散沙；但是如果在沙子中摻一點水，就可以捏出各種形狀的沙團。

干燥的細沙

這是因為干燥的散沙加入水后，水在細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筆鋒，也是因為在筆毫間形成了液橋。仔細觀察，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

沙粒間液橋對沙粒的作用

神秘的空間實驗裝置

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

你知道嗎？在“天宮二號”上就搭載著這樣一個神秘的科學實驗裝置—液橋熱毛細對流實驗箱，專門用來開展液橋熱毛細對流實驗。

這套液橋熱毛細對流實驗箱重13千克，大小比普通臺式電腦還要小。紅色電接口完成裝置的供電和通信。科學家在地面安排實驗動作并上傳指令，實驗箱收到指令后，內部機構將相互配合完成一系列的實驗操作。

“天宮二號”上的液橋熱毛細對流實驗箱

>太空中的液橋和地面上的液橋有何不同？>

特點1：可以建立大尺寸液橋

在微重力環境下，重力幾近消失，物體處于漂浮的狀態。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。這是因為重力消失后，表面張力大顯神威。

于是，利用太空的微重力環境，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，國際空間站上已經做出了直徑50毫米的液橋。想讓液橋保持穩定是有前提的，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，液橋過于細長，即使是在太空還是會“斷橋”。

在太空中擰濕毛巾的效果

太空中液橋不穩定斷橋過程

特點2：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，會產生熱毛細流動。熱毛細流動是空間微重力環境下的主要自然對流形式。

表面張力會隨著溫度變化，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動微重力流動的因素。由于表面張力又稱毛細力，所以這種表面張力溫度效應驅動流動，又稱為熱毛細流動。

表面張力驅動的液橋熱毛細對流機理

微重力環境下的對流和地面自然對流有很大的不同∶

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

要知道，從開水壺里的流動到大氣環流都是浮力對流機制。產生浮力對流的根本原因是重力作用，所以在空間微重力環境下，浮力對流消失，熱毛細流動開始主導自然對流。

正常重力環境下的浮力對流

令科學家頭疼的熱毛細流動

由于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。那么，太空將是理想的無對流環境，如果在這種環境中制造高純度晶體，將會得到高純度的單晶。

但是，現實永遠是殘酷的。很多科學家專門在國際空間站和探空火箭上（微重力環境）開展了晶體生長實驗。結果呢？與地面類似，晶體還是有條紋缺陷。

生長出的高純（99.999%）單晶鉭

晶體生長得到的條帶缺陷

最后，科學家發現，在微重力環境下自然對流并沒有消失。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，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，當溫差超過臨界條件時，這種熱毛細流動還會進入一種振蕩流的狀態，可以表現為溫度的振蕩。想想晶體在生長的過程中，忽冷忽熱的，不出現條紋才怪！通過太空和地面的對比實驗，人們才知道，即使在地面熱毛細流動也會導致這種條帶缺陷微觀結構。所以說，熱毛細流動震蕩就是晶體生長中一個專搞破壞的“熊孩子”。

第一次太空液橋實驗

我國科學家一直以來期待著能在空間微重力環境進行實驗，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”研究項目終于拿到了一張“天宮二號”的“船票”，這也是我國第一次在微重力條件下開展液橋熱毛細對流實驗。

讓我們一起期待這套空間科學實驗裝置帶來豐碩的科學成果，探尋神奇的熱毛細對流更深層次的奧秘吧！

（本文首發于“科學大院”微信公眾號，由中國科學院力學研究所供稿。）