探索液桥的奥秘：液体如何形成桥梁及其科学原理

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说到桥梁，大家首先想到的就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，这些桥梁都是由坚硬的实体建造而成的。结构材料。

著名的“赵州桥”

那么你见过由水或液体制成的桥吗？

答案其实是肯定的！ ——洗手时，手指间的小液体柱就是“液桥”。

由液体构成的桥——“液桥”

什么是液桥？

液桥其实并不是我们常见的运输桥，而是固体之间的小液柱。之所以称为液桥，是因为“桥”一词的意思是连接两个地方。液桥是连接两个固体表面的液体部分。所以，我可以负责任地告诉你，如果你想站在液桥上欣赏风景，那是不可能的。

液桥是如何形成的？

气体和液体界面之间存在表面张力，使液体表面看起来像一层薄薄的弹性薄膜。正是这样的“虚拟”薄膜，使得液桥的表面形态得以保持，而不会“塌陷”。由于表面张力很弱，在正常重力作用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并崩溃。

你能制作多长时间的液桥？

液桥的尺寸虽小，但作用却不容小觑！我们一定有这样的经历：在海滩上，如果你用手挤一把干燥的细沙，松手时沙子还是松散的；但如果在沙子中掺入一点水，就可以塑造出各种形状的沙球。

干细沙

沙球与水混合（图片来源见水印）

这是因为当将水添加到干燥的松散沙子中时，水会在细沙颗粒之间形成液桥，从而使松散的沙子聚集。我们用来写字的毛笔，蘸上墨水后可以形成笔尖。这也是因为刷毛之间形成了液桥。仔细观察，生活中液桥的例子还有很多。

砂粒间“液桥”对砂粒的影响

神秘的太空实验装置

也许你觉得生活中的这些小例子并不奇怪，但事实上，液桥是“空间微重力流体动力学研究”中的一个重要课题。

你可知道？即将发射的“天宫二号”就配备了这样一个神秘的科学实验装置——“液桥热毛细管对流实验箱”。

该实验装置由中国科学院力学研究所微重力国家重点实验室研制，专门用于在天宫二号上开展液桥热毛细管对流实验。

天宫二号“液桥热毛细管对流实验舱”

这款液桥热毛细管对流实验箱重13kg，比普通台式电脑还要小。红色电气接口完成设备的供电和通讯。科学家们在地面安排实验行动并张贴指令。实验盒收到指令后，内部机构就会相互配合，完成一系列的实验操作。

那么问题来了：太空液桥和地面液桥有什么区别？

特点一：可建立大型液桥

在微重力环境中，重力几乎消失，物体处于“漂浮”状态。在地面上只能形成小液滴的东西，在空间站上却可以形成大的液珠。这是因为当重力消失时，表面张力就会发挥其威力。

因此，利用太空的微重力环境，可以建立大尺寸的液桥，这在地面上是不可能的。

在太空中拧干湿毛巾的效果

目前，国际空间站上已建成直径50毫米的液桥。保持液桥稳定是有前提的。理论上，需要保证液桥的高度与直径之比小于一定值。否则，液桥就会过于细长，不稳定，即使在太空中，液桥仍然会“断裂”。

空间液桥不稳定破桥过程

这座“断桥”确实与法海和白娘子无关。

特点2：可产生热毛细流

当液桥两端温度不同时，一端热，另一端冷。在液体表面张力的作用下，会发生热毛细流动。热毛细管流动是空间微重力环境中自然对流的主要形式。

表面张力随温度变化。温度高的地方表面张力低，温度低的地方表面张力高。不均匀的表面张力成为驱动微重力流的因素。由于表面张力也称为毛细力，因此这种表面张力温度效应驱动流动，也称为热毛细流动或对流。

表面张力驱动液桥热毛细管对流机制

微重力环境中的对流与地面上的自然对流有很大不同：在地面上，浮力对流是自然对流的主要形式。当流体受热膨胀时，它会向上漂浮；当液体冷却并收缩时，它就会下沉。形成自然对流。

从沸腾釜中的流动到大气的整体循环，其机制都是浮力对流。

浮力对流产生的根本原因是重力的作用，因此在空间微重力环境下，浮力对流消失，热毛细流开始主导自然对流。

正常重力环境下的浮力对流

让科学家头疼的热毛细管流动

由于地面浮力效应的掩盖，热毛细管效应一度被忽略。科学家曾经认为“只要没有重力，对流就会消失”。那么，太空中就会出现一个理想的无对流环境。如果在这种环境下制造高纯度的晶体，就会得到高纯度的单晶。

晶体生长示意图

高纯度 (99.999%) 单晶钽生长

然而，现实总是残酷的。许多科学家专门在国际空间站和探空火箭（微重力环境）上进行了晶体生长实验。结果呢？与地面类似，仍然存在条纹缺陷。

晶体生长引起的带状缺陷

最后，科学家发现自然对流在微重力环境下并不会消失。虽然浮力对流消失了，但地面上未知的热毛细对流却发挥了作用，成为了绊脚石。这大概就是俗话说的“按下葫芦，提瓢了”。

更不可思议的是，当温差超过临界条件时，这种热毛细流也会进入振荡流状态，可以表现为温度振荡。想想晶体的生长过程，忽冷忽热，所以没有出现条纹才奇怪。

通过太空和地面的对比实验，人们知道即使在地面上热毛细管流动也能引起这种条状缺陷微观结构。

可以说，热毛细管流振荡是一个致力于破坏晶体生长的顽童。

至于液桥为什么会振荡，科学界目前仍持有两种不同的观点，这里不再详细阐述。

国际空间站液桥实验

研究团队：多年努力迎来首次太空实验

中国科学家长期以来一直期待着在太空微重力环境下进行实验，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“天宫二号”的“船票”。这也是我国首次在微重力条件下开展液桥热毛细对流实验。

该项目总设计师、中科院力学研究所研究员康琪表示：“为了生产高质量的半导体材料，需要科学地控制单层流场中浮力对流和热毛细管对流的影响。”晶体硅在晶体生长过程中，以及太空中独特的微重力环境，将使科学家能够深入分析热毛细管对流的真实过程。”

液桥热毛细管对流研究项目总设计师，

康琪，中国科学院力学研究所研究员

为了配合这一航天项目的开展，研究人员在地面开展了多次匹配试验研究。

他们在实验室中使用蓝宝石建造了液桥装置。他们利用粒子图像测速仪、红外热像仪等先进设备对液桥流动进行观察和分析，获得了大量的地面实验数据。

该项目副总设计师段力研究员表示：“由于空间实验机会少、成本高，而且热毛细对流现象及其影响因素之间的关系无法用简单的公式准确描述，因此需要地面实验。为空间实验的顺利进行提供科学合理的参考范围。”

该项目副总设计师，

李段，中国科学院力学研究员

经过三年多的工程开发，热毛细对流箱已经通过了层层地面试验的检验。该装置将搭乘天宫二号飞船升空，科学家将能够以天地互动的方式进行一系列太空实验。

我们期待我国自主研发的这一空间科学实验装置取得丰硕的科学成果，让我们一窥神奇的热毛细对流的更深奥秘。