空间流体流动驱动的枝晶与共晶生长模式动态局域化效应

来自中国空间站的实验研究揭示了微重力环境下流体流动对凝固行为的新调控机制。研究人员通过Nb-Si合金的无容器空间实验，首次观察到空间流体流动导致的枝晶（dendrite）和共晶（eutectic）生长模式动态转变：在溶质-热耦合作用下，共晶呈现蠕虫状、层状和晶面化三种形态；大过冷度时马兰戈尼对流（Marangoni convection）使枝晶尖端形成穹顶状、指状和针状非抛物线形貌。该发现为空间原位制造和晶体可控生长提供了新范式。

　　

传统凝固理论认为，当体积效应可忽略时，共晶相在固定过冷度下仅呈现单一形貌，而枝晶则保持旋转抛物线状尖端。中国空间站的突破性实验颠覆了这一认知：空间流体流动通过固液界面附近的受限溶质-热耦合（solute-thermal coupling），驱动共晶在蠕虫状（worm-like）、层状（lamellar）和晶面化（faceted）三种模式间动态切换；同时大过冷度下的马兰戈尼对流（Marangoni convection）使枝晶尖端突破经典抛物线形态，产生穹顶状（dome-like）、指状（finger-like）和针状（needle-like）等特殊形貌。

微重力环境下，空间流体流动产生的球对称温度-浓度场使枝晶与共晶区域呈现空间有序分离，这种精妙排序被地球重力环境中的浮力对流（buoyancy-driven convection）破坏。小过冷度凝固时，微重力末期弱对流完美保持了枝晶的近理想对称性。这些发现不仅揭示了空间流体动力学（space fluid flow）对凝固组织的动态局域化调控机制，更为空间环境下的晶体原位制造（in-situ manufacturing）和可控生长（controlled growth）提供了全新理论框架。图示中Nb-Si合金表面枝晶/共晶区域的空间有序分布，直观展现了微重力流体效应的独特调控能力。