广泛存在于宇宙中的颗粒物质是日常生活中除了水之外我们接触最多的一种物质形态。一些自然现象像沙尘暴、雪崩、泥石流等地质灾害的发生与颗粒物质的运动行为息息相关。颗粒物质运动行为的普适性动力学被《科学》杂志(Science)在创刊125年之际列为当今125个尚未解决的重大科学问题之一。颗粒物质体系指的是大量尺寸大于1微米的宏观颗粒所形成的具有离散性、结构无序性和能量耗散性的多体体系。这样的体系，热扰动，即粒子的布朗运动，与颗粒的平动动能相比可以忽略不计，是远离热平衡的复杂体系。
　　颗粒体系由于粒子间非弹性碰撞和摩擦等内秉的能量耗散特性，与分子气体不同，经常会有局部凝聚（或团簇）现象出现。颗粒物质团簇形成机制是包括研究星际尘埃行为及深空探测等微重力科学研究的重要问题。理解和预测这一现象的发生有助于人们对远离平衡态体系自发形成的有序结构和麦克斯韦妖[1,2]等现象的机理认知。这种局部凝聚现象可以类比于分子气体中亚稳分解形成的液滴[3,4]，将气液相分离用于解释和寻求局部凝聚现象的模型得到了分子动力学模拟的校验，给出不同数密度和容器尺寸下的颗粒分布相图[5,6]。但是实验的校验却由于宏观粒子运动受重力作用的影响难以在实验室中实现[7]。
　　微重力环境是实验观察颗粒气体形成及研究其本征行为的必要条件，4月6日到4月25日在轨的实践十号返回式科学实验卫星为这样的实验研究提供了长时稳定微重力条件，使得实验观察成为可能，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）软物质物理重点实验室厚美瑛研究员带领的颗粒物质运动行为-颗粒流体相分离研究课题团队与上海技术物理研究所张涛研究员的团队合作，完成实践十号颗粒物质箱空间实验装置，首次在轨获得了微重力下团簇形成、颗粒冷却行为以及双仓分聚麦克斯韦妖现象等颗粒动力学重要实验结果。
　　实验分单、双仓两个部分：单仓部分有三个以活塞分隔的单独样品仓，观察颗粒在活塞激振下的分布情况；双仓部分为一个以窗口相连分隔为两部分的仓，实验观察颗粒受两端活塞激振后的分聚情况。本项实验的关键技术在于以活塞推动多仓的激振方式，将可动部件减到最轻，既减少了功耗和卫星其他资源，又不影响对卫星其它项目的微重力水平。实验装置见图1所示。
　　图2显示此次卫星实验所成功获取的单仓颗粒分布图像，和首次在微重力下观察到的双仓明显的颗粒两仓分聚现象。在轨实验在2016.4.6日22:00至次日2:00和2016.4.9日8:30至11:30所进行的两次实验中，单仓实验在中间仓观察到气态均匀分布与团簇两相，在左仓和右仓观察到了局域团簇。在双仓中首次观察到的微重力下的两仓分聚现象仍有待更多参数实验结果与进一步分析。此次实验为首次对颗粒团簇行为（包括麦克斯韦妖现象）进行系统空间实验，期望获得对颗粒聚集行为的系统观察，利用颗粒物质内禀特性，建立空间储存、运输和操作的新方法。
　　上述研究工作获得了中国科学院空间科学战略性先导科技专项（批准号：XDA04020200）和国家自然科学基金(批准号: 11474326)的资助。

[1] M. Hou, H. Tu, R. Liu, Y. Li, K. Lu, P.Y. Lai and C.K. Chan, 2008 Phys. Rev. Lett. 100, 068001,
[2] Yinchang Li, Rui Liu, and Meiying Hou, 2012 Phys. Rev. Lett. 109, 198001
[3] B. Meerson, T. Pöschel, P. V. Sasorov, and T. Schwager, 2004 Phys. Rev. E 69, 021302
[4] Liu R, Li Y C, Hou M Y, Meerson B，2007 Phys. Rev. E 75 061304
[5] E. Opsomer, F. Ludewig, and N. Vandewalle, 2011 Phys. Rev. E 84, 051306
[6] E. Opsomer, F. Ludewig and N. Vandewalle, 2012 EPL, 99 40001
[7]王花,陈琼,王文广,厚美瑛, 2016 Acta Phys. Sin. Vol. 65, 014502

图1. 装置结构：上层电控装置，中层为双仓实验模块层，下层为单仓实验模块层

图2. 左：微重力下单仓的团簇现象；右：双仓中首次在微重力下观察到明显的颗粒两仓分聚现象