廣泛存在于宇宙中的顆粒物質(zhì)是日常生活中除了水之外我們接觸最多的一種物質(zhì)形態(tài)。一些自然現(xiàn)象像沙塵暴、雪崩、泥石流等地質(zhì)災害的發(fā)生與顆粒物質(zhì)的運動行為息息相關。顆粒物質(zhì)運動行為的普適性動力學被《科學》( Science )雜志在創(chuàng)刊125年之際列為當今125個尚未解決的重大科學問題之一。顆粒物質(zhì)體系指的是大量尺寸大于1微米的宏觀顆粒所形成的具有離散性、結(jié)構(gòu)無序性和能量耗散性的多體體系。這樣的體系，熱擾動，即粒子的布朗運動，與顆粒的平動動能相比可以忽略不計，是遠離熱平衡的復雜體系。

顆粒體系由于粒子間非彈性碰撞和摩擦等內(nèi)秉的能量耗散特性，與分子氣體不同，經(jīng)常會有局部凝聚（或團簇）現(xiàn)象出現(xiàn)。顆粒物質(zhì)團簇形成機制是包括研究星際塵埃行為及深空探測等微重力科學研究的重要問題。理解和預測這一現(xiàn)象的發(fā)生有助于人們對遠離平衡態(tài)體系自發(fā)形成的有序結(jié)構(gòu)和麥克斯韋妖等現(xiàn)象的機理認知。這種局部凝聚現(xiàn)象可以類比于分子氣體中亞穩(wěn)分解形成的液滴，將氣液相分離用于解釋和尋求局部凝聚現(xiàn)象的模型得到了分子動力學模擬的校驗，給出不同數(shù)密度和容器尺寸下的顆粒分布相圖。但是實驗的校驗卻由于宏觀粒子運動受重力作用的影響難以在實驗室中實現(xiàn)。

微重力環(huán)境是實驗觀察顆粒氣體形成及研究其本征行為的必要條件，4月6日至25日在軌的實踐十號返回式科學實驗衛(wèi)星為這樣的實驗研究提供了長時穩(wěn)定微重力條件，使得實驗觀察成為可能，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）軟物質(zhì)物理重點實驗室研究員厚美瑛帶領的顆粒物質(zhì)運動行為-顆粒流體相分離研究課題團隊與中科院上海技術物理研究所研究員張濤團隊合作，完成實踐十號顆粒物質(zhì)箱空間實驗裝置，首次在軌獲得了微重力下團簇形成、顆粒冷卻行為以及雙倉分聚麥克斯韋妖現(xiàn)象等顆粒動力學重要實驗結(jié)果。

實驗分單、雙倉兩個部分：單倉部分有三個以活塞分隔的單獨樣品倉，觀察顆粒在活塞激振下的分布情況；雙倉部分為一個以窗口相連分隔為兩部分的倉，實驗觀察顆粒受兩端活塞激振后的分聚情況。本項實驗的關鍵技術在于以活塞推動多倉的激振方式，將可動部件減到最輕，既減少了功耗和衛(wèi)星其他資源，又不影響對衛(wèi)星其它項目的微重力水平。實驗裝置見圖1所示。

圖2顯示此次衛(wèi)星實驗所成功獲取的單倉顆粒分布圖像，和首次在微重力下觀察到的雙倉明顯的顆粒兩倉分聚現(xiàn)象。在軌實驗在4月6日22:00至次日2:00和4月9日8:30至11:30所進行的兩次實驗中，單倉實驗在中間倉觀察到氣態(tài)均勻分布與團簇兩相，在左倉和右倉觀察到了局域團簇。在雙倉中首次觀察到的微重力下的兩倉分聚現(xiàn)象仍有待更多參數(shù)實驗結(jié)果與進一步分析。此次實驗為首次對顆粒團簇行為（包括麥克斯韋妖現(xiàn)象）進行系統(tǒng)空間實驗，期望獲得對顆粒聚集行為的系統(tǒng)觀察，利用顆粒物質(zhì)內(nèi)稟特性，建立空間儲存、運輸和操作的新方法。

上述研究工作獲得了中國科學院空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項（批準號：XDA04020200）和國家自然科學基金(批準號: 11474326)的資助。

 

圖1. 裝置結(jié)構(gòu)：上層電控裝置，中層為雙倉實驗模塊層，下層為單倉實驗模塊層

 

圖2. 左：微重力下單倉的團簇現(xiàn)象；右：雙倉中首次在微重力下觀察到明顯的顆粒兩倉分聚現(xiàn)象

 

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實踐十號衛(wèi)星顆粒流體相分離實驗獲得進展

圖文簡介

顆粒體系由于粒子間非彈性碰撞和摩擦等內(nèi)秉的能量耗散特性，與分子氣體不同，經(jīng)常會有局部凝聚現(xiàn)象出現(xiàn)。