你喜欢喝咖啡吗？你知道咖啡中蕴含的流体物理知识吗？什么是复杂流体？针对复杂流体，中国空间站上可以开展哪些实验？我们不妨从大家喜爱的咖啡一窥究竟。

 

咖啡，是由微小的咖啡颗粒悬浮于水溶液中形成的。我们经常会看到，残留有咖啡液的杯子，在咖啡液干燥蒸发以后，在底部会形成环状图案，学术上称为“咖啡环效应”，咖啡环就是由细小的咖啡颗粒堆垛而成的。

咖啡环效应

 

咖啡溶液是典型的复杂流体，是一种由尺寸在几十纳米到微米的颗粒分散在连续的液体溶剂中形成的体系。与地面状态不同，微重力状态下咖啡液的自由界面很难维持，像卡布奇诺这种奶沫更多的咖啡，由于在微重力环境下，奶沫中的气泡会迅速融合，最终形成一种液体状的混合物，因而无法保持其稳定性，也就无法保持其原有的形状和口感。但同时，如果咖啡被充分混合均匀，一般也不易出现重力产生的分层沉降，航天员便可以用吸管从封闭的杯子中吸出咖啡饮用。

航天员用吸管饮用液体食物

 

复杂流体：亦称为软物质，泛指处于固体和理想流体之间的复杂的凝聚态物质，主要共同特点是其基本单元（如咖啡颗粒）之间的相互作用比较弱（约为室温热能量级），因而易受温度影响，熵效应显著，且易形成有序结构，处于这种中间状态的常见物质体系包括胶体、液晶、高分子、泡沫、乳液、凝胶、颗粒物质、玻璃、生物体系等。主要涉及的流体知识包括流变学、流体粘性、颗粒间相互作用、自组装与自组装现象、毛细相互作用等。

 

 

 

既然咖啡在受到重力影响下的状态有所不同，那么在太空如何开展复杂流体研究呢？这就得看“天宫”中的空间流体物理实验平台——微重力流体物理实验柜的“本领”了。微重力流体物理实验柜由中科院力学研究所研制，安装于空间站梦天实验舱，主要支持开展空间微重力环境中流体的宏观、微观运动，扩散过程的基本规律研究，以及空间材料、空间生命科学和生物技术等方向采用透明介质的实验研究。

微重力流体物理实验柜

 

微重力流体物理实验柜中设有专用于开展复杂流体研究的复杂流体模块，主要包含流变施加与测量功能、显微观测功能、静（动）态光谱和光散射功能。复杂流体样品置于测试位置后，即可对样品施加旋转剪切并测量样品在太空中的粘性，同时可以实现对样品中的细小颗粒（500纳米以上的颗粒）的动态结构的显微观测，从而研究在太空环境下复杂流体受到外界剪切力作用下其中的颗粒是如何相互作用的，以及会形成何种与地面不同的结构。当颗粒尺寸小于500纳米时，则可利用光谱与光散射功能，观测样品中的颗粒是如何聚集的，以及聚集速率和地面上有什么不同。这些功能对研究重力对复杂流体的影响是非常重要的，同时对揭示熵驱相变等基础性物理问题至关重要。

 

 

 

目前，复杂流体方向主要利用微重力流体物理实验柜开展了“微重力下胶体体系玻璃态转变与流变行为研究”及“胶体的聚集和相转变的微重力研究”项目的微重力研究。

 

玻璃态转变的本质和起源是当今世界面临的125个重大科学问题之一，空间微重力环境为其澄清提供了有利条件。“微重力下胶体体系玻璃态转变与流变行为研究”项目在国际上率先实现剪切加载下胶体体系力学行为和动力学行为在轨同步观测这一关键技术，并获得了首批空间胶体玻璃流变行为和结构演变科学实验数据，为揭示玻璃态转变本质奠定了空间实验基础。

 

对聚集行为的深入研究既有重要理论意义也具有广泛的实用价值，在废水处理、生物、药品生产、江河中泥沙沉降等方面有不可忽视的应用背景；胶体有序相变形成的胶体晶体结构，可作为研究晶体生长的放大版模型体系，去研究许多原子晶体无法观察的过程。因此，“胶体的聚集和相转变的微重力研究”项目针对胶体粒子聚集行为，研究重力在聚集不同阶段，对具有不同相互作用下的胶体粒子的聚集过程的影响规律，并针对胶体相变形成的胶体晶体，研究其结晶动力学及经亚稳态的结构演变过程。相关微重力实验得到了与地面环境下截然不同的理想条件下的聚集和结晶过程的实验数据，为深入认识聚集和相变规律，完善聚集和相变动力学理论提供了基础。

 

 

 

当前，通过空间实验获得的一种非晶合金制备方法的成果已广泛应用于新能源汽车、智能终端设备的量产零部件中，而复杂流体方向相关的微重力研究，不仅能为非晶和晶体材料结构、力学性能优化、环控生保系统中的水循环利用等提供技术和理论支持，并且在软物质材料工程、组织工程、细胞工程、生物医学等领域具有潜在应用。未来，这些研究成果将为解决国家材料短板问题、改进相关产品生产加工工艺等作出重要贡献。

 

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作者/中国科学院力学研究所  康琦