微重力条件下液态金属变形效应：机理与应用

由中国科学院理化技术研究所等单位组成的联合研究团队，在地处中国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（图2.17），完成了一系列液态金属自由落体试验，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［12］。

图2.17　同步观察液态金属变形效应的自由落体试验

（云南宣威境内北盘江大桥）

北盘江大桥试验内容涉及：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，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。研究初步揭开的一些有趣现象有（图2.18）：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地面重力情形下快捷得多的运动和变形响应能力。液态金属这些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。

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图2.18　不同环境下短时间内液态金属因失去重力而从一滩液体自发转换为球形［12］

a.起始状态；b—g.金属小球形成；h—i.金属小球破裂；j.终止状态。

以往，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［12］。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 m、近200层楼高的地标性建筑——北盘江大桥上进行，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。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。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。

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7～2300℃范围保持液态，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，是水的近十倍，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。

在实现方式上，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［12］，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。此项研究，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。