Density and molar volume of CaO–SiO2–FeO melts measured by electrostatic levitation aboard the International Space Station
利用国际空间站上的静电悬浮炉，研究人员测量了微重力条件下 CaO–SiO2–FeO 熔体的密度和摩尔体积，结果表明密度随 FeO 含量的增加而增加，而摩尔体积总体上与加和模型预测相符，尽管在高 FeO 浓度下存在轻微偏差。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一个巨大的、漂浮着的肥皂泡，但它不是由肥皂和水组成的，而是一个发光的、熔融的岩石与金属球。现在，想象这个气泡正漂浮在国际空间站的中心，那里的重力几乎不存在。这正是这项研究中所发生的情况。来自日本的科学家们准备了三种不同配方的熔融岩石——由氧化钙、二氧化硅和氧化铁组成的混合物——并将它们送入太空，以观察它们在高温且呈黏稠状态时有多重。
为什么要去太空？因为在地球上，如果你想测量一种超高温液体的密度，你通常必须把它放在容器里。但热金属喜欢“吃掉”它的容器，或者容器里的物质会渗入金属中，从而干扰测量结果。这就像是在试图称量一片还粘在盒子上的披萨；盒子会增加重量并改变口味。在太空中，利用一种特殊的“静电悬浮”技巧，科学家们可以用无形的电能之手将这些熔融液滴悬浮在半空中。没有盒子，没有容器，只有纯粹的、漂浮的液态岩石。
研究团队测试了三种特定“口味”的这种熔体，分别标记为 CS20F、CS60F 和 CS80F。这些数字代表了其中氧化铁（FeO）的含量，分别为 20%、60% 和 80%（按重量计），其余部分由另外两种成分各占 50% 组成。他们使用激光将这些液滴加热到发光灼热的状态，然后在冷却过程中，利用高速摄像机以每秒 60 帧的速度进行拍摄。通过观察悬浮球在冷却过程中阴影的缩小过程，他们可以计算出体积，既然已知样品的重量，他们就能推算出密度。
以下是他们的发现：
首先，随着温度升高，密度会下降。这就像向热空气中吹气使气球膨胀一样；同样数量的物质占据了更多的空间，因此变得密度更低。这种现象在所有三种混合物中都呈直线变化。
第二，在任何特定的温度下，含氧化铁较多的混合物密度更大。80% 氧化铁的混合物最重，而 20% 氧化铁的混合物最轻。
第三，他们研究了一个叫做“摩尔体积”的概念，这基本上是指一“摩尔”混合物所占据的空间。他们发现，当增加铁的含量时（从 20% 的混合物增加到 60%），混合物占据的空间实际上变小了。但当加入更多的铁时（从 60% 增加到 80%），空间的变化却微乎其微。这就像挤压海绵：第一次挤压会让它变得紧凑，但第二次挤压几乎没有任何效果。
科学家们将他们在太空测得的数据与地球上的旧数据以及一个简单的数学模型——“加性参考模型”进行了对比。该模型假设如果你混合两种东西，总容量就是各部分之和，就像堆叠乐高积木一样。结果显示，真实的熔融岩石与这种简单的“乐高积木”理念基本一致，不过在铁含量最高时，真实的熔体所占据的空间比乐高模型预测的要稍微大一点。
他们的测量有多可靠？论文指出，测量值的最大相对扩展不确定度为 3.46%。这意味着如果取他们得到的数值，真实值很可能在那个数值的 3.5% 范围内。最大的不确定性来源并非悬浮球本身，而是用于校准摄像机的参考球的测量。因为体积计算依赖于参考球直径的三次方（即自身相乘三次），所以即使在测量参考球尺寸时产生极其微小的偏差，也会被放大。
那么，他们排除了哪些可能性？他们并没有排除“容器会干扰测量”这一观点；事实上，他们证实了对于这些高温环境，无容器方法是必要的。他们也没有发现体积随铁含量变化而剧烈波动；相反，他们发现体积在最初会急剧下降，然后趋于平缓。他们并未声称这是一个针对所有冶金学问题的完美解决方案，而是提供了一套坚实的参考数据，用于应对地球工具难以应对的高温环境。
简而言之，通过在太空中让熔融岩石漂浮，团队让我们更清晰地看到了这些特定的金属-矿渣混合物在高温且沉重时的行为特征，证实了铁含量越高通常意味着液体密度越大，但体积随铁含量变化的规律并不是一条直线，而是一条趋于平缓的曲线。这些数据现在可以帮助工程师和科学家对金属在高温过程中的流动和分离进行建模，使用的是无需坩埚干扰的测量数值。
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