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發(fā)布時間：2022-09-02 14:18

【概要描述】中國網(wǎng)訊近日，在地處云南宣威境內(nèi)的尼珠河大峽谷上的世界第一高橋—北盤江大橋上，科研人員完成了一段時間以來的最后一項液態(tài)金屬自由落體試驗。至此，歷時近5個月的液態(tài)金屬微重力試驗研究告一段落。系列探索首次直接觀察到了溶液中液態(tài)金屬隨重力消失而呈現(xiàn)出的自發(fā)變形與電控變形現(xiàn)象。

世界第一高橋上的液態(tài)金屬之舞

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　　中國網(wǎng)訊近日，在地處云南宣威境內(nèi)的尼珠河大峽谷上的世界第一高橋—北盤江大橋上，科研人員完成了一段時間以來的最后一項液態(tài)金屬自由落體試驗。至此，歷時近5個月的液態(tài)金屬微重力試驗研究告一段落。系列探索首次直接觀察到了溶液中液態(tài)金屬隨重力消失而呈現(xiàn)出的自發(fā)變形與電控變形現(xiàn)象。

　　此項研究由劉靜教授主持，參加單位有中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)、云南大學(xué)以及云南靖創(chuàng)公司、中宣公司、科威公司等。試驗內(nèi)容涉及：處于空氣或溶液中的液態(tài)金屬隨重力減弱過程中的自發(fā)響應(yīng)行為、微重力環(huán)境中液態(tài)金屬在電場作用下的運動與變形能力、微重力環(huán)境下液態(tài)金屬觸發(fā)的鋁水反應(yīng)制氫問題等。為實時記錄失重過程中液態(tài)金屬與周圍溶液的相互作用及動態(tài)變形過程，研究小組在試驗箱體上特別設(shè)置了可從x、y、z多個空間角度同步觀察金屬流體行為的微型圖像記錄儀(圖1)，并配置了加速度記錄儀以實時監(jiān)測下落過程中試驗箱體的動態(tài)微重力水平。研究中初步揭開的一些有趣現(xiàn)象如(圖2、圖3)：在一定體積范圍內(nèi)，液態(tài)金屬無論尺度大小，在失重時均會因自身極大的表面張力作用而自發(fā)形成球體;在微重力下，處于溶液中的液態(tài)金屬會在電場誘發(fā)下表現(xiàn)出明顯比之地面重力情形快捷得多的運動和變形響應(yīng)能力。這些液態(tài)金屬因失重而呈現(xiàn)出的現(xiàn)象豐富了人們的認(rèn)識，也為今后的空間技術(shù)應(yīng)用提供了有益啟示，如流體控制、柔性機(jī)器驅(qū)動等。部分成果近期已以“同步觀察液態(tài)金屬在自由落體微重力環(huán)境下的自發(fā)變形行為”為題上傳美國物理學(xué)預(yù)印本網(wǎng)站(He et al.,Synchronous Observation on the Spontaneous Transformation of Liquid Metal under Free Falling Microgravity Situation, https://arxiv.org/abs/1705.06592)。

　　迄今，微重力試驗大多在空間站、人工落塔、火箭以及試驗飛機(jī)上進(jìn)行，成本較為高昂。已有的地面試驗塔因高度有限，微重力維持時間較短，且耗資可觀，使得頻繁開展試驗受到限制。此次宣威液態(tài)金屬微重力試驗的一個亮點是，直接選擇在垂直落差達(dá)565米近200層樓高的地標(biāo)性建筑—北盤江大橋進(jìn)行，從而以極低成本完成了世界首例常溫液態(tài)金屬微重力變形效應(yīng)實驗，也因此開啟了一條極簡快捷的低成本微重力研究模式。整項工作歷經(jīng)現(xiàn)場考察、試驗落點篩選、低高度試驗?zāi)M、方案優(yōu)化、常規(guī)橋面預(yù)試驗、可重復(fù)性線牽試驗、一次性破壞型自由落體試驗等環(huán)節(jié)。同時，為確保大橋試驗安全有序進(jìn)行，相應(yīng)工作得到了宣威市政府各級有關(guān)部門的全力支持和協(xié)調(diào)。在宣威試驗開展之前，科研人員已在曲靖市境內(nèi)的常規(guī)落高橋面上開展了系列預(yù)試驗，獲得一批重要數(shù)據(jù)和信息，為后續(xù)工作積累了豐富經(jīng)驗和試驗基礎(chǔ)。首批研究目標(biāo)之所以聚焦于液態(tài)金屬表面張力與變形效應(yīng)，一方面這是液態(tài)金屬最為基礎(chǔ)的物理屬性，同時也考慮到預(yù)期成果對于今后發(fā)展空間柔性智能機(jī)器技術(shù)會較有借鑒意義。長久以來，實現(xiàn)可在不同形態(tài)之間自由轉(zhuǎn)換的變形柔性機(jī)器人，以執(zhí)行常規(guī)技術(shù)難以完成的更為特殊高級的任務(wù)，是全球科學(xué)界與工程界的夢想，相應(yīng)研究極具重要理論意義與應(yīng)用前景。從理論上講，密度較大的液態(tài)金屬在消除自身重力影響后，更易發(fā)展成可控變形機(jī)器乃至高度靈活的柔性機(jī)器人。此次試驗為此指出了可喜前景，其同時也表明，室溫液態(tài)金屬變形研究的范疇已從地面向空間拓展。

　　實際上，液態(tài)金屬的空間應(yīng)用遠(yuǎn)不止柔性機(jī)器方面。作為一大類新興功能物質(zhì)和材料，液態(tài)金屬如鎵基合金等正以其諸多獨特優(yōu)勢引發(fā)全球?qū)W術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注。此類金屬可在從7°C ~2300°C范圍均保持液態(tài)，且安全穩(wěn)定，無毒性，因而正被快速推進(jìn)到芯片冷卻、能量捕獲、可重構(gòu)柔性機(jī)器人、生物醫(yī)療、印刷電子及3D打印等高新科技領(lǐng)域。液態(tài)金屬頗為獨特的屬性之一是，表面張力高達(dá)700 mN/m，是水近十倍，這使其顯著區(qū)別于諸多流體物質(zhì)。毫無疑問，在液態(tài)金屬諸多可能發(fā)揮作用的領(lǐng)域中，太空應(yīng)用是十分令人期待的，發(fā)展空間巨大。這是因為，在此類環(huán)境下，物體自身重力的影響大大減弱，起主要作用的是表面張力。而且，在高真空環(huán)境下，液態(tài)金屬原本在空氣中極易氧化的問題得以消除，此時其自身極高的表面張力效應(yīng)無疑會促成一系列超常規(guī)應(yīng)用。

　　以往，由于受實驗條件限制，也因室溫液態(tài)金屬作為新興的科技前沿，相應(yīng)探索與應(yīng)用時間較短，就其微重力效應(yīng)開展試驗始終未能啟動。機(jī)緣巧合的是，作為中國液態(tài)金屬谷所在地的云南宣威，一系列液態(tài)金屬產(chǎn)業(yè)研發(fā)工作近年來開展得如火如荼，在國內(nèi)外持續(xù)引發(fā)重大廣泛的反響，2016年有關(guān)成果更是入選云南省十大科技進(jìn)展。無獨有偶的是，世界第一高橋北盤江大橋在云南宣威境內(nèi)的建設(shè)和落成不時引起劉靜教授的關(guān)注，這對于長期思索液態(tài)金屬空間試驗而未果的他最終產(chǎn)生觸動，這才有了直接利用這一天然地理條件開展微重力試驗的計劃。這種低成本試驗?zāi)Ｊ?，將推動今后液態(tài)金屬微重力試驗研究工作的開展。

　　總的說來，北盤江大橋提供了迄今最長的自由落體距離，使得可以在相對較長的時間范圍內(nèi)觀察和記錄液態(tài)金屬微重力效應(yīng)和變形規(guī)律，從而為液態(tài)金屬這一革命性材料潛在的空間應(yīng)用創(chuàng)造條件，有關(guān)應(yīng)用范疇涉及衛(wèi)星、飛行器、空間站等及相應(yīng)載荷的熱控和能源系統(tǒng)，空間柔性機(jī)器，超常規(guī)流控系統(tǒng)，生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等(圖4)。通過此次研究，也為進(jìn)一步在云南當(dāng)?shù)貥?gòu)建更為完善精良的微重力試驗環(huán)境積累了寶貴經(jīng)驗。

　　有意思的是，在科學(xué)史上的一個典故中，意大利科學(xué)家伽利略曾在其家鄉(xiāng)比薩斜塔上完成了兩個鐵球的自由落體試驗，澄清了長久以來的科學(xué)困惑。此次液態(tài)金屬自由落體試驗則從另一科學(xué)層面初步揭示了液態(tài)金屬物質(zhì)的部分空間屬性，在研究方式上二者有異曲同工之效。這一系列實踐探索對于提升云南宣威當(dāng)?shù)乜萍既宋乃?、促進(jìn)液態(tài)金屬谷產(chǎn)業(yè)發(fā)展乃至弘揚科學(xué)精神等，均具有十分深遠(yuǎn)的意義。