四年研究浓缩为几分钟实验，已故教授所提理论在太空得到证明

选自phys.org

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由于重力的急剧下降，太空成为了研究流体运动的理想场所。

当全世界的天文学家都沉浸在对遥远宇宙的新观点时，来自国际空间站上的一项实验让我们对再熟悉不过的「水」有了更进一步的认识。

具体而言，空间站特有的微重力环境清楚地展示了水滴在固体表面振荡和扩散的方式，这些发现对 3D 打印、喷雾冷却、制造和涂层操作方面有着非常实际的应用。该研究发表在《物理评论快报》上。

论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.084501

该研究分析了国际空间站上具有全移动接触线 (CL) 的固定（sessile）水滴的形状振动。国际空间站独特的微重力环境可以研究厘米大小的液滴以及相关的惯性毛细管运动。该研究借助平面法向基板振动引起共振行为，并通过频率扫描量化共振，从中识别出九种不同疏水表面的固有频率和模式形状。该研究的实验结果有助于解释地球上液滴的惯性扩散现象。

这项研究虽然取得了成功，但不幸的是研究参与者之一、来自康奈尔大学的 Paul Steen 教授于实验前的 2020 年 9 月去世。「很遗憾，Steen 没有看到这项研究的实验结果，希望这篇论文的发表会让他感到自豪」，论文作者之一、康奈尔大学化学与生物分子工程学教授 Susan Daniel 说道。

已故教授 Paul Steen

Daniel 与 Steen 的相识，要从 2007 年说起，那一年 Daniel 来到康奈尔大学，担任助理教授一职，之后不久开始与 Steen 合作。Daniel 表示：Steen 擅长理论并根据理论做出预测，而自己知道如何进行实验来验证这些理论。从 Daniel 与 Steen 一起合作到他去世的这段时间里，他们一直致力于了解液体与所在表面之间如何相互作用，以及它们之间的接触线在不同条件下是如何表现的。

他们研究了一系列的图像，其中包含了水滴震荡的几十种可能形状。Steen 通过对水滴的能量状态进行编号，将它们组织成一个「周期表」。

太空是研究流体行为的理想场所，之所以这么说是因为太空中流体的重力会急剧下降。物体在国际空间站上的重力约为地球表面的百万分之一。在地球上，流体与所在表面的相互作用规模小、速度快，以至于无法观察研究，而在太空中，它们之间的相互作用可能会放大近 10 倍，观察范围从微米级扩大到厘米级，并且持续时间长了近 30 倍。

该研究重点关注水滴接触线（或外边缘）如何在物体表面来回滑动，驱动液体扩散。

为了在国际空间站完成实验，该团队为宇航员做了详细的研究指导，将四年的计划压缩为几分钟的实验，每一秒都是精心编排的。研究人员在地面上实时监测并提供反馈，宇航员通过注射器将 10 mL 水滴放置在九个不同粗糙度的疏水表面上。他们还迫使成对的水滴聚结在一起，并将它们放在振荡器上，调整振动以实现目标共振形状。水滴的摇晃运动被拍摄下来，然后再由研究团队花费一年的时间对这些数据进行分析。

实验分析最终证实了 Steen 的理论，即在克服表面粗糙度的情况下，液体密度和表面张力控制接触线流动性的方式。

Daniel 表示：「现在我们基本可以使用 Steen 提出的理论来进行预测，并用于 3D 打印、加快液体扩散等实际应用。」

原文链接：

https://phys.org/news/2022-08-droplets-space-late-professor-theory.html

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