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你喜歡喝咖啡嗎？你知道咖啡中蘊(yùn)含的流體物理知識嗎？什么是復(fù)雜流體？針對復(fù)雜流體，中國空間站上可以開展哪些實(shí)驗(yàn)？我們不妨從大家喜愛的咖啡一窺究竟。
咖啡，為啥是復(fù)雜流體？
咖啡，是由微小的咖啡顆粒懸浮于水溶液中形成的。我們經(jīng)常會看到，殘留有咖啡液的杯子，在咖啡液干燥蒸發(fā)以后，在底部會形成環(huán)狀圖案，學(xué)術(shù)上稱為“咖啡環(huán)效應(yīng)”，咖啡環(huán)就是由細(xì)小的咖啡顆粒堆垛而成的。
咖啡環(huán)效應(yīng)
咖啡溶液是典型的復(fù)雜流體，是一種由尺寸在幾十納米到微米的顆粒分散在連續(xù)的液體溶劑中形成的體系。與地面狀態(tài)不同，微重力狀態(tài)下咖啡液的自由界面很難維持，像卡布奇諾這種奶沫更多的咖啡，由于在微重力環(huán)境下，奶沫中的氣泡會迅速融合，最終形成一種液體狀的混合物，因而無法保持其穩(wěn)定性，也就無法保持其原有的形狀和口感。但同時，如果咖啡被充分混合均勻，一般也不易出現(xiàn)重力產(chǎn)生的分層沉降，航天員便可以用吸管從封閉的杯子中吸出咖啡飲用。
航天員用吸管飲用液體食物
術(shù)語解釋
復(fù)雜流體：亦稱為軟物質(zhì)，泛指處于固體和理想流體之間的復(fù)雜的凝聚態(tài)物質(zhì)，主要共同特點(diǎn)是其基本單元（如咖啡顆粒）之間的相互作用比較弱（約為室溫?zé)崮芰考墸?，因而易受溫度影響，熵效?yīng)顯著，且易形成有序結(jié)構(gòu)，處于這種中間狀態(tài)的常見物質(zhì)體系包括膠體、液晶、高分子、泡沫、乳液、凝膠、顆粒物質(zhì)、玻璃、生物體系等。主要涉及的流體知識包括流變學(xué)、流體黏性、顆粒間相互作用、自組裝與自組裝現(xiàn)象、毛細(xì)相互作用等。
復(fù)雜流體在太空狀態(tài)如何？怎么研究？
既然咖啡在受到重力影響下的狀態(tài)有所不同，那么在太空如何開展復(fù)雜流體研究呢？這就得看“天宮”中的空間流體物理實(shí)驗(yàn)平臺——微重力流體物理實(shí)驗(yàn)柜的“本領(lǐng)”了。微重力流體物理實(shí)驗(yàn)柜由中國科學(xué)院力學(xué)研究所研制，安裝于空間站夢天實(shí)驗(yàn)艙，主要支持開展空間微重力環(huán)境中流體的宏觀、微觀運(yùn)動，擴(kuò)散過程的基本規(guī)律研究，以及空間材料、空間生命科學(xué)和生物技術(shù)等方向采用透明介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究。
微重力流體物理實(shí)驗(yàn)柜
微重力流體物理實(shí)驗(yàn)柜中設(shè)有專用于開展復(fù)雜流體研究的復(fù)雜流體模塊，主要包含流變施加與測量功能、顯微觀測功能、靜（動）態(tài)光譜和光散射功能。復(fù)雜流體樣品置于測試位置后，即可對樣品施加旋轉(zhuǎn)剪切并測量樣品在太空中的黏性，同時可以實(shí)現(xiàn)對樣品中細(xì)小顆粒（500納米以上的顆粒）動態(tài)結(jié)構(gòu)的顯微觀測，從而研究在太空環(huán)境下復(fù)雜流體受到外界剪切力作用下其中的顆粒是如何相互作用的，以及會形成何種與地面不同的結(jié)構(gòu)。當(dāng)顆粒尺寸小于500納米時，則可利用光譜與光散射功能，觀測樣品中的顆粒是如何聚集的，以及聚集速率和地面上有什么不同。這些功能對研究重力對復(fù)雜流體的影響是非常重要的，同時對揭示熵驅(qū)相變等基礎(chǔ)性物理問題至關(guān)重要。
針對復(fù)雜流體，開展了哪些實(shí)驗(yàn)？
目前，復(fù)雜流體方向主要利用微重力流體物理實(shí)驗(yàn)柜開展了“微重力下膠體體系玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變與流變行為研究”及“膠體的聚集和相轉(zhuǎn)變的微重力研究”項目的微重力研究。
玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的本質(zhì)和起源是當(dāng)今世界面臨的125個重大科學(xué)問題之一，空間微重力環(huán)境為其澄清提供了有利條件。“微重力下膠體體系玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變與流變行為研究”項目在國際上率先實(shí)現(xiàn)剪切加載下膠體體系力學(xué)行為和動力學(xué)行為在軌同步觀測這一關(guān)鍵技術(shù)，并獲得了首批空間膠體玻璃流變行為和結(jié)構(gòu)演變科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為揭示玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變本質(zhì)奠定了空間實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
對聚集行為的深入研究既有重要理論意義也具有廣泛的實(shí)用價值，在廢水處理、生物、藥品生產(chǎn)、江河中泥沙沉降等方面有不可忽視的應(yīng)用背景；膠體有序相變形成的膠體晶體結(jié)構(gòu)，可作為研究晶體生長的放大版模型體系，去研究許多原子晶體無法觀察的過程。因此，“膠體的聚集和相轉(zhuǎn)變的微重力研究”項目針對膠體粒子聚集行為，研究重力在聚集不同階段，對具有不同相互作用下的膠體粒子的聚集過程的影響規(guī)律，并針對膠體相變形成的膠體晶體，研究其結(jié)晶動力學(xué)及經(jīng)亞穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)演變過程。相關(guān)微重力實(shí)驗(yàn)得到了與地面環(huán)境下截然不同的理想條件下的聚集和結(jié)晶過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為深入認(rèn)識聚集和相變規(guī)律，完善聚集和相變動力學(xué)理論提供了基礎(chǔ)。
未來，有怎樣的應(yīng)用前景？
當(dāng)前，通過空間實(shí)驗(yàn)獲得的一種非晶合金制備方法的成果已廣泛應(yīng)用于新能源汽車、智能終端設(shè)備的量產(chǎn)零部件中，而復(fù)雜流體方向相關(guān)的微重力研究，不僅能為非晶和晶體材料結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能優(yōu)化、環(huán)控生保系統(tǒng)中的水循環(huán)利用等提供技術(shù)和理論支持，并且在軟物質(zhì)材料工程、組織工程、細(xì)胞工程、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。未來，這些研究成果將為解決國家材料短板問題、改進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)加工工藝等作出重要貢獻(xiàn)。
（作者單位：中國科學(xué)院力學(xué)研究所 ）
責(zé)任編輯：胡惠雯
