实践十号“高冷”的实验

 

　　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。

 

　　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。

 

　　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。

 

　　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。