实践十号那些"高冷"实验:胶体液晶太空"众生相"

笑看今朝

北京时间4月6日1时38分，我国首颗微重力科学实验卫星实践十号发射升空，正式开启太空之旅，它将完成19项微重力科学和空间生命科学实验。据悉，最终搭乘上实践十号的19个项目是从200多项申请中筛选出来的，所有科学实验都具有创新性，并且拥有很强的科学研究价值。
　　那么这些听起来十分“高冷”，看似距离我们的生活十万八千里，却兴师动众必须“上天”才能做的实验具体是什么呢，又具有哪些科学价值？多了也解释不完，针对其中关于胶体和液晶的实验项目——胶体有序排列及新型材料研究，我们特别邀请中国科学院微重力重点实验室主任、实践十号卫星科学应用系统主任设计师王育人研究员进行了解释说明。

图1 实践十号卫星在轨模拟图

　　为何不远万里到太空做实验
　　材料在液态和固态的相互转化过程中，有序结构(晶体)和无序结构(非晶体)的竞争形成一直是物理和材料科学领域最关键、最具挑战性的前沿科学问题。在《Science》杂志总结的目前亟待解决的125个重要科学难题中就包含了这一项目。
　　据王育人研究员介绍，本次实验任务主要研究在空间中的胶体液滴蒸发过程和液晶相的形成过程。那么为什么要到太空中研究胶体和液晶的这些物理过程呢？王育人研究员解释道，主要是由于在地面研究胶体体系有序-无序转变的过程中，会受到重力沉降、浮力对流等因素的影响，从而掩盖了其相变过程(物质有固相、液相、气相，相变是指物质从一种相转变为另一种相的过程)中的物理本质。在这些影响下，人类无法准确认识其自组装行为的本质规律，所以对于这些问题的深入研究只能够通过空间实验来完成，利用太空中重力接近于零的微重力环境，探索目前在地面上仍然无法揭示的微观物理规律。

图2 “实践十号”胶体材料箱载荷模装示意图

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你都不知道胶体有多“自觉”

　　王育人研究员介绍，胶体一般是指材料颗粒的尺度小于一微米的物质混合在另一个均匀介质中所形成的混合体系。日常生活中人们能看到许多胶体，如牛奶、泡沫塑料、发胶、涂料、泡沫刮胡膏、胶水，甚至灰尘、泥浆、烟雾等。胶体有很多独特的性质，如布朗运动、电泳、丁达尔效应(光进入胶体发生散射并呈现出不同色彩)等，但更特殊的性质在于它们的“自觉性”——即胶体的自组装能力：只在本身粒子的相互作用下，就能自然地聚集在一起，形成一种稳定的结构性排列，而无需外力干预。通常只要温度、光照等外部环境因素发生变化，胶体就会作出反应而发生这种自组装，因此它更容易形成大面积的有序结构。


　　胶体颗粒形成的有序结构不仅可以制备具有特殊光学特性的新型材料，如光子晶体，光学开关，离子探针等，还可以用于催化，吸收和分离工业中。但是由于在地面上胶体颗粒会受到重力沉降的影响或者是浮力对流的干扰，在这些影响下，人类无法准确认识其自组装行为的本质规律，而且，观察微米尺度胶体颗粒动态运动的过程也是非常困难的。

图3 胶体颗粒自组装现象

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“上了天”的液晶还是液晶吗

　　晶体是指在原子尺度具有极其有序排列的一类物质，比如日常生活中用作装饰的闪闪发光的宝石，其中的原子就具有空间上的周期性排列。

　　但是大多数晶体是指固体，而液晶比较特殊，它既具有空间排列的有序性，本身又像水一样具备液体的流动性质。我们大家经常看电视，有一类常见的电视就是液晶电视。液晶这种物质具有很多不同的物质形态，称为液晶相。

　　那么，进入太空后的液晶会有怎样的性质变化？“上了天”的液晶还会是液晶吗？

　　王育人研究员进行了解释：在空间中研究液晶相变过程及相形成的机制，主要是来确定不同浓度条件下所形成的液晶相的不同之处。在地面上进行该类实验研究，由于沉降的作用、重力的影响，无法确定液晶相形成的具体条件，而在太空中排除了重力等因素的干扰，观察微重力条件下液晶相的分布与地面实验的区别，利用空间中液晶大范围均匀分布的便利条件，探索晶核的产生和液晶相的形成与演化过程，从而较为准确地确定液晶产生的条件，在科学上突破地面实验无法解决的重大基础科学问题。


　　实践十号即将于太空中进行的“胶体有序排列与新型材料研究”实验项目，是中国首次在太空中对复杂流体开展全面系统的研究，极有可能突破基础科学研究中的重大问题。作为中国首颗微重力试验卫星，实践十号搭载着19项科学实验项目，为科学发展做出的巨大贡献将是永恒的。