在过去的二十年里,液滴蒸发中的微流动和颗粒沉积引起了科学家极大的研究兴趣,这既因为蒸发过程中蕴含着丰富的物理学现象,例如常见的“咖啡环效应”,又由于其在绿色印刷、微纳器件制备、疾病诊断等领域展现出广阔的应用前景。同时,作为人体体液等复杂体系的一种简单模型,研究胶体液滴的操控、蒸发及颗粒沉积,可为未来空间探索任务中的复杂流体管理、资源再生与利用、宇航员生理状况监测等提供理论指导和技术支持。然而,蒸发中的胶体液滴是一个高度非平衡体系,存在复杂的传热传质和能量交换过程,颗粒沉积理论仍不完善,这大大限制了其应用。

在过去的二十年里,液滴蒸发中的微流动和颗粒沉积引起了科学家极大的研究兴趣,这既因为蒸发过程中蕴含着丰富的物理学现象,例如常见的“咖啡环效应”,又由于其在绿色印刷、微纳器件制备、疾病诊断等领域展现出广阔的应用前景。同时,作为人体体液等复杂体系的一种简单模型,研究胶体液滴的操控、蒸发及颗粒沉积,可为未来空间探索任务中的复杂流体管理、资源再生与利用、宇航员生理状况监测等提供理论指导和技术支持。然而,蒸发中的胶体液滴是一个高度非平衡体系,存在复杂的传热传质和能量交换过程,颗粒沉积理论仍不完善,这大大限制了其应用。

一句话了解19项科学实验

近期,中国科学院力学研究所微重力重点实验室王育人团队针对空间中胶体液滴操控及液滴内颗粒沉积动力学的研究取得新进展。一是基于实践十号卫星提供的高水平微重力实验平台,集成表面浸润性修饰、复杂流体均匀分散等多项关键技术,发展了一套空间复杂流体管理系统,成功实现了胶体液滴在太空的生成和操控。相关结果发表在Langmuir
(W. Li, H. Sun, D. Lan, and Y. Wang, 2018,DOI:
10.1021/acs.langmuir.8b00219)及Microgravity Sci. Technol. (W.Li,
D.Lan, Z.Sun, B.Geng, X.Wang, W.Tian, G. Zhai and Y.Wang, 2016,DOI:
10.1007/s12217-016-9497-6)上,并授权多项国家发明专利。二是首次在咖啡环内部发现了二维网络状图案,提出去浸润和颗粒组装之间的相互耦合机制是决定沉积结构的主要原因。通过进一步研究,发现重力沉降、气液界面收缩及毛细补偿流在蒸发不同阶段的相互协同和竞争共同影响了颗粒的聚集状态,提出了正置和倒置液滴中颗粒运动的追击和相遇机制。相关结果发表在Langmuir
(W. Li, W. Ji, H. Sun, D. Lan, and Y. Wang, 2018,
DOI:10.1021/acs.langmuir.8b02659, 被期刊选为补充封面)及Physical Review
E
(W. Li, D. Lan, and Y. Wang, 2017, DOI:
10.1103/PhysRevE.95.042607)上。

近期,中国科学院力学研究所微重力重点实验室王育人团队针对空间中胶体液滴操控及液滴内颗粒沉积动力学的研究取得新进展。一是基于实践十号卫星提供的高水平微重力实验平台,集成表面浸润性修饰、复杂流体均匀分散等多项关键技术,发展了一套空间复杂流体管理系统,成功实现了胶体液滴在太空的生成和操控。

1.蒸发与流体界面效应空间实验研究——观测研究液滴蒸发过程中的相变蒸发效应与表面张力驱动对流的相互作用规律,为相关空间两相系统的应用与开发提供新理论。

上述研究为空间复杂流体的管控提供了方案,深化了对颗粒沉积动力学的认识,对沉积图案的调控及新型微纳功能材料的制备具有重要的指导意义。以上工作得到中科院战略性先导专项、国家自然科学基金等的资助。

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2.颗粒物质运动行为—颗粒流体气液相分离空间实验研究——实现颗粒分舱聚集,获得空间颗粒物质输运的方法,建立相关理论依据。

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3.微重力沸腾过程中的汽泡动力学特征研究——获得微重力单汽泡池沸腾过程中汽泡动力学特征及传热特性数据,加深理解沸腾传热内在机理研究。

图1 空间中胶体液滴的注射、分离及振荡

4.热毛细对流表面波空间实验载荷初步方案——首次开展体积效应问题研究,有望深刻理解热毛细对流的不稳定性和振荡机理。

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5.胶体有序排列及新型材料研究载荷初步方案——我国首次在太空中对复杂流体开展全面系统的研究,有望获得大尺寸高品质金属纳米晶体。

图2 咖啡环内部网络状结构中典型干区的形成机制

6.石油组分的Soret系数测量——有望获得石油不同组分Soret系数的精确数据,帮助预测油田中石油组分分布和油气界面位置,进而指导石油的开采。

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7.导线绝缘层着火特性实验载荷初步方案——阐明微重力环境下典型非金属材料导线绝缘层的火灾先期征兆及着火早期烟气析出及分布规律。为解决中国载人飞船及空间站防火等国家重大战略需求提供技术支撑。

图3 气液界面收缩、重力沉降和毛细补偿流的协同和竞争共同决定沉积图案形貌

8.微重力下煤燃烧及其污染物生成特性研究载荷初步方案——揭示我国典型煤种的单个颗粒和煤粉颗粒群在特殊状态下着火、燃烧和污染物生成的基本规律,发展更完善的煤燃烧理论和模型。

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9.典型非金属材料在微重力环境中的着火及燃烧特性研究——揭示热厚非金属材料在微重力条件下的着火和燃烧特性及影响规律,最终根据其燃烧特性制定相应的火灾预防办法。

图4多物理效应的协同和竞争机制

10.空间材料生长研究——研究微重力环境下晶体生长和凝固过程,有望为改善地面晶体生长工艺奠定基础。

11.辐射生物学试验载荷初步方案——研究评估模式生物接受空间辐射的品质,及其与对应的辐射损伤和遗传变异的关联等,为深空探测任务和舱外暴露试验打下技术基础。

12.空间辐射对基因组的作用和遗传效应研究——定量研究空间辐射对基因组稳定性改变的效应,寻找新的空间辐射敏感标志生物分子,为太空辐射的风险和防护研究提供新的基础数据和检测手段。

13.空间环境对家蚕发育的影响与变异机理的研究——利用空间环境开展家蚕发育、基因和蛋白质表达等方面的研究,阐明家蚕突变产生频率和机理、行为改变程度等。

14.微重力植物生物学效应及其微重力信号转导研究——深入了解介导微重力引发植物生物学效应的机理,验证植物激素在介导微重力信号产生微重力效应中的作用等。

15.微重力下细胞间相互作用的物质输运规律研究——认识微重力下细胞代谢、结构重组及增殖与分化对物质传输条件依赖的规律,为宇航员空间活动产生的骨质流失、肌肉萎缩等生理变化寻找技术支撑。

16.空间微重力条件下光周期诱导高等植物开花研究——了解微重力对长日与短日植物光周期诱导开花的影响及其分子机理,为作物栽培和品质选育提供理论基础。

17.微重力条件下造血与神经干细胞三维培养与组织构建研究——探索解决干细胞非分化性增殖等世界性难题的新途径,为解决人类在宇宙空间长期生存的系列空间生命课题奠定基础。

18.微重力条件下哺乳动物早期胚胎发育研究——首次在太空进行哺乳动物早期胚胎发育研究,揭示空间环境条件下动物早期生命活动规律,为未来长期太空飞行中保障人类生殖发育健康提供科学依据。

19.空间骨细胞定向分化效应研究——研究微重力环境下人骨髓间充质干细胞向骨细胞分化的潜能等,寻求宇航员长期处于深空中所造成的严重骨质变化等疾病预防和治疗方案。

(本报实习生胡萍、邓腾整理)

《中国科学报》 (2016-04-19 第1版 要闻)

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