中國(guó)粉體網(wǎng)訊 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(zāi)害的發(fā)生與顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)行為息息相關(guān)。顆粒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)行為的普適性動(dòng)力學(xué)被《科學(xué)》(Science)雜志在創(chuàng)刊125年之際列為當(dāng)今125個(gè)尚未解決的重大科學(xué)問(wèn)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(wú)序性和能量耗散性的多體體系。這樣的體系，熱擾動(dòng)，即粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，與顆粒的平動(dòng)動(dòng)能相比可以忽略不計(jì)，是遠(yuǎn)離熱平衡的復(fù)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(huì)有局部凝聚（或團(tuán)簇）現(xiàn)象出現(xiàn)。顆粒物質(zhì)團(tuán)簇形成機(jī)制是包括研究星際塵埃行為及深空探測(cè)等微重力科學(xué)研究的重要問(wèn)題。理解和預(yù)測(cè)這一現(xiàn)象的發(fā)生有助于人們對(duì)遠(yuǎn)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(jī)理認(rèn)知。這種局部凝聚現(xiàn)象可以類(lèi)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(dòng)力學(xué)模擬的校驗(yàn)，給出不同數(shù)密度和容器尺寸下的顆粒分布相圖。但是實(shí)驗(yàn)的校驗(yàn)卻由于宏觀粒子運(yùn)動(dòng)受重力作用的影響難以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。
微重力環(huán)境是實(shí)驗(yàn)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(shí)踐十號(hào)返回式科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星為這樣的實(shí)驗(yàn)研究提供了長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定微重力條件，使得實(shí)驗(yàn)觀察成為可能，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）軟物質(zhì)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員厚美瑛帶領(lǐng)的顆粒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)行為-顆粒流體相分離研究課題團(tuán)隊(duì)與中科院上海技術(shù)物理研究所研究員張濤團(tuán)隊(duì)合作，完成實(shí)踐十號(hào)顆粒物質(zhì)箱空間實(shí)驗(yàn)裝置，首次在軌獲得了微重力下團(tuán)簇形成、顆粒冷卻行為以及雙倉(cāng)分聚麥克斯韋妖現(xiàn)象等顆粒動(dòng)力學(xué)重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)分單、雙倉(cāng)兩個(gè)部分：?jiǎn)蝹}(cāng)部分有三個(gè)以活塞分隔的單獨(dú)樣品倉(cāng)，觀察顆粒在活塞激振下的分布情況；雙倉(cāng)部分為一個(gè)以窗口相連分隔為兩部分的倉(cāng)，實(shí)驗(yàn)觀察顆粒受兩端活塞激振后的分聚情況。本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)在于以活塞推動(dòng)多倉(cāng)的激振方式，將可動(dòng)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(duì)衛(wèi)星其它項(xiàng)目的微重力水平。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1所示。
圖2顯示此次衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)所成功獲取的單倉(cāng)顆粒分布圖像，和首次在微重力下觀察到的雙倉(cāng)明顯的顆粒兩倉(cāng)分聚現(xiàn)象。在軌實(shí)驗(yàn)在4月6日22:00至次日2:00和4月9日8:30至11:30所進(jìn)行的兩次實(shí)驗(yàn)中，單倉(cāng)實(shí)驗(yàn)在中間倉(cāng)觀察到氣態(tài)均勻分布與團(tuán)簇兩相，在左倉(cāng)和右倉(cāng)觀察到了局域團(tuán)簇。在雙倉(cāng)中首次觀察到的微重力下的兩倉(cāng)分聚現(xiàn)象仍有待更多參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與進(jìn)一步分析。此次實(shí)驗(yàn)為首次對(duì)顆粒團(tuán)簇行為（包括麥克斯韋妖現(xiàn)象）進(jìn)行系統(tǒng)空間實(shí)驗(yàn)，期望獲得對(duì)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(chǔ)存、運(yùn)輸和操作的新方法。
上述研究工作獲得了中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（批準(zhǔn)號(hào)：XDA04020200）和國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 11474326)的資助。
圖1. 裝置結(jié)構(gòu)：上層電控裝置，中層為雙倉(cāng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K層，下層為單倉(cāng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K層
圖2. 左：微重力下單倉(cāng)的團(tuán)簇現(xiàn)象；右：雙倉(cāng)中首次在微重力下觀察到明顯的顆粒兩倉(cāng)分聚現(xiàn)象
