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【中国网】世界第一高桥上的液态金属之舞
发表日期: 2017-08-30
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  【中国网讯】近日,在地处云南宣威境内的尼珠河大峡谷上的世界第一高桥—北盘江大桥上,科研人员完成了一段时间以来的最后一项液态金属自由落体试验。至此,历时近5个月的液态金属微重力试验研究告一段落。系列探索首次直接观察到了溶液中液态金属随重力消失而呈现出的自发变形与电控变形现象。

  此项研究由刘静教授主持,参加单位有中国科学院理化技术研究所、清华大学、云南大学以及云南靖创公司、中宣公司、科威公司等。试验内容涉及:处于空气或溶液中的液态金属随重力减弱过程中的自发响应行为、微重力环境中液态金属在电场作用下的运动与变形能力、微重力环境下液态金属触发的铝水反应制氢问题等。为实时记录失重过程中液态金属与周围溶液的相互作用及动态变形过程,研究小组在试验箱体上特别设置了可从x、y、z多个空间角度同步观察金属流体行为的微型图像记录仪(图1),并配置了加速度记录仪以实时监测下落过程中试验箱体的动态微重力水平。研究中初步揭开的一些有趣现象如(图2、图3):在一定体积范围内,液态金属无论尺度大小,在失重时均会因自身极大的表面张力作用而自发形成球体;在微重力下,处于溶液中的液态金属会在电场诱发下表现出明显比之地面重力情形快捷得多的运动和变形响应能力。这些液态金属因失重而呈现出的现象丰富了人们的认识,也为今后的空间技术应用提供了有益启示,如流体控制、柔性机器驱动等。部分成果近期已以“同步观察液态金属在自由落体微重力环境下的自发变形行为”为题上传美国物理学预印本网站(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,微重力试验大多在空间站、人工落塔、火箭以及试验飞机上进行,成本较为高昂。已有的地面试验塔因高度有限,微重力维持时间较短,且耗资可观,使得频繁开展试验受到限制。此次宣威液态金属微重力试验的一个亮点是,直接选择在垂直落差达565米近200层楼高的地标性建筑—北盘江大桥进行,从而以极低成本完成了世界首例常温液态金属微重力变形效应实验,也因此开启了一条极简快捷的低成本微重力研究模式。整项工作历经现场考察、试验落点筛选、低高度试验模拟、方案优化、常规桥面预试验、可重复性线牵试验、一次性破坏型自由落体试验等环节。同时,为确保大桥试验安全有序进行,相应工作得到了宣威市政府各级有关部门的全力支持和协调。在宣威试验开展之前,科研人员已在曲靖市境内的常规落高桥面上开展了系列预试验,获得一批重要数据和信息,为后续工作积累了丰富经验和试验基础。首批研究目标之所以聚焦于液态金属表面张力与变形效应,一方面这是液态金属最为基础的物理属性,同时也考虑到预期成果对于今后发展空间柔性智能机器技术会较有借鉴意义。长久以来,实现可在不同形态之间自由转换的变形柔性机器人,以执行常规技术难以完成的更为特殊高级的任务,是全球科学界与工程界的梦想,相应研究极具重要理论意义与应用前景。从理论上讲,密度较大的液态金属在消除自身重力影响后,更易发展成可控变形机器乃至高度灵活的柔性机器人。此次试验为此指出了可喜前景,其同时也表明,室温液态金属变形研究的范畴已从地面向空间拓展。

  实际上,液态金属的空间应用远不止柔性机器方面。作为一大类新兴功能物质和材料,液态金属如镓基合金等正以其诸多独特优势引发全球学术界和工业界广泛关注。此类金属可在从7°C ~2300°C范围均保持液态,且安全稳定,无毒性,因而正被快速推进到芯片冷却、能量捕获、可重构柔性机器人、生物医疗、印刷电子及3D打印等高新科技领域。液态金属颇为独特的属性之一是,表面张力高达700 mN/m,是水近十倍,这使其显著区别于诸多流体物质。毫无疑问,在液态金属诸多可能发挥作用的领域中,太空应用是十分令人期待的,发展空间巨大。这是因为,在此类环境下,物体自身重力的影响大大减弱,起主要作用的是表面张力。而且,在高真空环境下,液态金属原本在空气中极易氧化的问题得以消除,此时其自身极高的表面张力效应无疑会促成一系列超常规应用。

  以往,由于受实验条件限制,也因室温液态金属作为新兴的科技前沿,相应探索与应用时间较短,就其微重力效应开展试验始终未能启动。机缘巧合的是,作为中国液态金属谷所在地的云南宣威,一系列液态金属产业研发工作近年来开展得如火如荼,在国内外持续引发重大广泛的反响,2016年有关成果更是入选云南省十大科技进展。无独有偶的是,世界第一高桥北盘江大桥在云南宣威境内的建设和落成不时引起刘静教授的关注,这对于长期思索液态金属空间试验而未果的他最终产生触动,这才有了直接利用这一天然地理条件开展微重力试验的计划。这种低成本试验模式,将推动今后液态金属微重力试验研究工作的开展。

  总的说来,北盘江大桥提供了迄今最长的自由落体距离,使得可以在相对较长的时间范围内观察和记录液态金属微重力效应和变形规律,从而为液态金属这一革命性材料潜在的空间应用创造条件,有关应用范畴涉及卫星、飞行器、空间站等及相应载荷的热控和能源系统,空间柔性机器,超常规流控系统,生物医学应用等(图4)。通过此次研究,也为进一步在云南当地构建更为完善精良的微重力试验环境积累了宝贵经验。

  有意思的是,在科学史上的一个典故中,意大利科学家伽利略曾在其家乡比萨斜塔上完成了两个铁球的自由落体试验,澄清了长久以来的科学困惑。此次液态金属自由落体试验则从另一科学层面初步揭示了液态金属物质的部分空间属性,在研究方式上二者有异曲同工之效。这一系列实践探索对于提升云南宣威当地科技人文水平、促进液态金属谷产业发展乃至弘扬科学精神等,均具有十分深远的意义。

   

  图1 世界第一高桥北盘江大桥开展的首例液态金属微重力变形效应试验情况:(a)自由落体试验原理;(b)试验现场;(c)试验装置设计;(d)装置实物;(e)试验过程中

      

  图2 不同环境下短时间内液态金属因失去重力而从一摊液体自发转换为球形的情况

   

  图3 微重力下空气泡转化为球形的情形

  

  图4 液态金属微重力效应可望发挥重要作用的空间应用技术:(a)流体驱动;(b)热量传递;(c)印刷电子;(d)3D金属打印;(e)柔性机器;(f)可变形软体机器人;(g)生物医学应用。

转载自:中国网 2017年8月27日报道

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