揭秘實踐十號上那些「高冷」的實驗

出品：科普中國

製作：幻彩寶寶科普創新公社

監製：中國科學院計算機網路信息中心

北京時間4月6日1時38分，我國首顆微重力科學實驗衛星實踐十號發射升空，正式開啟太空之旅，它將完成19項微重力科學和空間生命科學實驗。據悉，最終搭乘上實踐十號的19個項目是從200多項申請中篩選出來的，所有科學實驗都具有創新性，並且擁有很強的科學研究價值。

那麼這些聽起來十分「高冷」，看似距離我們的生活十萬八千里，卻興師動眾必須「上天」才能做的實驗具體是什麼呢，又具有哪些科學價值？多了也解釋不完，針對其中關於膠體和液晶的實驗項目——膠體有序排列及新型材料研究，我們特別邀請中國科學院微重力重點實驗室主任、實踐十號衛星科學應用系統主任設計師王育人研究員進行了解釋說明。

圖1 實踐十號衛星在軌模擬圖

為何不遠萬里到太空做實驗

材料在液態和固態的相互轉化過程中，有序結構（晶體）和無序結構（非晶體）的競爭形成一直是物理和材料科學領域最關鍵、最具挑戰性的前沿科學問題。在《Science》雜誌總結的目前亟待解決的125個重要科學難題中就包含了這一項目。

據王育人研究員介紹，本次實驗任務主要研究在空間中的膠體液滴蒸發過程和液晶相的形成過程。那麼為什麼要到太空中研究膠體和液晶的這些物理過程呢？王育人研究員解釋道，主要是由於在地面研究膠體體系有序-無序轉變的過程中，會受到重力沉降、浮力對流等因素的影響，從而掩蓋了其相變過程（物質有固相、液相、氣相，相變是指物質從一種相轉變為另一種相的過程）中的物理本質。在這些影響下，人類無法準確認識其自組裝行為的本質規律，所以對於這些問題的深入研究只能夠通過空間實驗來完成，利用太空中重力接近於零的微重力環境，探索目前在地面上仍然無法揭示的微觀物理規律。

圖2 「實踐十號」膠體材料箱載荷模裝示意圖

你都不知道膠體有多「自覺」

王育人研究員介紹，膠體一般是指材料顆粒的尺度小於一微米的物質混合在另一個均勻介質中所形成的混合體系。日常生活中人們能看到許多膠體，如牛奶、泡沫塑料、髮膠、塗料、泡沫刮鬍膏、膠水，甚至灰塵、泥漿、煙霧等。膠體有很多獨特的性質，如布朗運動、電泳、丁達爾效應（光進入膠體發生散射並呈現出不同色彩）等，但更特殊的性質在於它們的「自覺性」——即膠體的自組裝能力：只在本身粒子的相互作用下，就能自然地聚集在一起，形成一種穩定的結構性排列，而無需外力干預。通常只要溫度、光照等外部環境因素髮生變化，膠體就會作出反應而發生這種自組裝，因此它更容易形成大面積的有序結構。

膠體顆粒形成的有序結構不僅可以製備具有特殊光學特性的新型材料，如光子晶體，光學開關，離子探針等，還可以用於催化，吸收和分離工業中。但是由於在地面上膠體顆粒會受到重力沉降的影響或者是浮力對流的干擾，在這些影響下，人類無法準確認識其自組裝行為的本質規律，而且，觀察微米尺度膠體顆粒動態運動的過程也是非常困難的。

圖3 膠體顆粒自組裝現象

「上了天」的液晶還是液晶嗎

晶體是指在原子尺度具有極其有序排列的一類物質，比如日常生活中用作裝飾的閃閃發光的寶石，其中的原子就具有空間上的周期性排列。

但是大多數晶體是指固體，而液晶比較特殊，它既具有空間排列的有序性，本身又像水一樣具備液體的流動性質。我們大家經常看電視，有一類常見的電視就是液晶電視。液晶這種物質具有很多不同的物質形態，稱為液晶相。

那麼，進入太空後的液晶會有怎樣的性質變化？「上了天」的液晶還會是液晶嗎？

王育人研究員進行了解釋：在空間中研究液晶相變過程及相形成的機制，主要是來確定不同濃度條件下所形成的液晶相的不同之處。在地面上進行該類實驗研究，由於沉降的作用、重力的影響，無法確定液晶相形成的具體條件，而在太空中排除了重力等因素的干擾，觀察微重力條件下液晶相的分布與地面實驗的區別，利用空間中液晶大範圍均勻分布的便利條件，探索晶核的產生和液晶相的形成與演化過程，從而較為準確地確定液晶產生的條件，在科學上突破地面實驗無法解決的重大基礎科學問題。

圖4 中國科學院微重力重點實驗室主任、實踐十號衛星科學應用系統主任設計師王育人研究員

實踐十號即將於太空中進行的「膠體有序排列與新型材料研究」實驗項目，是中國首次在太空中對複雜流體開展全面系統的研究，極有可能突破基礎科學研究中的重大問題。作為中國首顆微重力試驗衛星，實踐十號搭載著19項科學實驗項目，為科學發展做出的巨大貢獻將是永恆的。

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