液体可能会给太空旅行者带来一些特别棘手的挑战，但密西西比大学的一项新研究可以帮助在零重力和低重力环境中设计更智能、更高效的流体控制。
国家物理声学中心高级科学家、物理与天文系副教授张立坤领导的研究小组，研究了低重力环境下液体波如何穿越障碍物。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。
“在像空间站这样的低重力环境下，表面张力占据主导地位，”密西西比大学四年级物理学博士生、该研究的合著者王正武说。“水的曲率——弯月面——将出现在结构周围，我们想知道弯月面将如何影响波浪穿越障碍物。”
当水遇到部分浸没的屏障（想象一下池塘里的一片叶子）时，液体的表面张力会使液体在遇到屏障的地方向上弯曲；在这个例子中，屏障就是叶子。张和王的研究表明，这种被称为弯月面的弯曲可以通过控制来减少或增加穿过屏障的能量。
如果弯月面的弯曲程度较小，则有更多的能量通过。但是，弯月面的弯曲程度越大，流体传递的能量就越少。
水的形状可以帮助研究人员控制穿过屏障的能量流动。美国国家物理声学中心高级科学家张立坤（右）和物理学博士生王正武拍摄了水流过屏障的照片，同时控制了水面弯月面的角度（即屏障附近表面张力引起的弯曲）。
“我们的常识告诉我们，屏障应该阻挡波，但我们发现某些弯月面形状可以让波更容易穿过，”张教授说。“弯月面形状仅仅发生1.5毫米的微小变化，就会导致透射率从大约60%下降到仅仅几个百分点。微小的弯月面，巨大的影响。”
太空旅行者在各种应用中都会用到液体：从燃料和水循环系统，到生命维持和冷却系统。能够更好地控制这些系统中的流体可以提高系统效率和重量——这是太空旅行的关键。
王说：“这些在日常生活中确实是微小的影响，但在微重力环境中却会产生巨大的影响。”
为了进行实验，研究人员通过产生小而频繁的表面波来模拟低重力环境。然后，他们在波的路径上放置了一个部分屏障，并利用声学原理测量弯月面的运动。
通过改变屏障的高度并使用表面涂层使其具有吸水或防水功能，研究人员控制了弯月面以及穿过屏障的能量。
“作为物理学家，我们研究的是一些非常基础的问题：比如波动力学和屏障问题，”张教授说道。“但能够控制低重力环境下的流体行为至关重要——无论是水循环系统还是燃料箱——因为你不能依靠重力来分离液体和气体。”
张教授表示，这些应用在地面制造和生物医学工程领域也可能大有裨益，因为微流体设备可以在仅几毫米宽的通道中移动流体。这些设备的应用范围广泛，从打印机到DNA芯片，再到芯片实验室技术。
他说：“这是首次研究流体中这种行为的实验，但它为新现象和新物理学打开了大门。这项工作很有价值，因为它首次展示了一种控制流体的新方法。”
更多信息： Zhengwu Wang 等，《弯月面驱动的表面波跨屏障传输调制》，《物理评论快报》（2025）。DOI ：10.1103/qb1x-qv6x。arXiv文档：DOI：10.48550/arxiv.2504.11597
期刊信息： 物理评论快报 、 arXiv