一段来自国际空间站的画面常让人看得入神：清澈的水球和油球在舱内悬浮，被宇航员轻轻推近，两个晶莹的球体越靠越近，几乎贴上，却始终各自保持完整，谁也不肯“并”进谁里去。这一幕看似“矜持”，背后其实是流体物理一次干净利落的亮相。

在地球上，这个问题似乎没有悬念：把油倒进水里，油会漂在水面之上，因为油的密度比水小，浮力把它托了起来。可同样是“水油共存”，一旦到了空间站，规则就变了。

关键在于，太空中“没有上下”。国际空间站长期处于微重力环境，重力带来的浮力被削弱到可以忽略。衡量重力与表面张力谁说了算，常用一个无量纲数——邦德数（Bond number, Bo＝Δρ·g·L²/σ，其中Δρ为两相密度差、g为重力加速度、L为特征尺度、σ为界面张力）。在地面，Bo较大，浮力占主导；而在微重力下g→0、Bo→0，浮力退场，表面张力成为主宰。表面张力总想让液体的表面积尽可能小，于是在微重力下，水和油都不约而同地把各自缩成表面积最小的几何体——完美球体。这就是视频里两个晶莹“水珠”的来历。

那么，都是球，为什么碰在一起却不合并？这就要回到化学本性。水分子之间靠氢键彼此“抱团”，油（非极性烃类）分子之间只有较弱的范德华力；两相分子间的相互作用明显弱于各自的分子内聚作用，要使它们混合，必须付出可观的界面能代价，因此在热力学上它们天然互不相溶，谁也没有动力去“撕开”对方的界面。

需要强调的是，“贴而不融”并不意味着永远不并合。两个液滴能否合并，取决于它们之间那层极薄的液膜能否排液变薄直至破裂。在无表面活性剂、无外部扰动的微重力环境中，这层界面膜可以长期保持稳定，于是两球便“严丝合缝”地贴着、却互不相侵。

这正是日本JAXA在国际空间站“希望”号实验舱开展的“双层液体球”实验所展示的现象^[1,2]。2018年2月，宇航员金井宣茂在“亚洲零重力尝试”项目中，把硅油注入水球、把水注入油球——结果出乎意料又在情理之中：注入的液体始终待在内部，两种液体没有交换位置，谁也没能“穿透”对方的界面。

别小看这个“贴脸不相融”。地面上，化妆品、乳液、食品、药膏等乳化液的稳定与失效，本质上就是无数微小液滴会不会“并”在一起的问题，而重力造成的浮沉往往掩盖了液滴最本真的行为。微重力恰好提供了一座“洁净实验室”：在这里可以剥离浮力的干扰，弄清液滴何时聚合、为何稳定。这份看似游戏的太空实验，正悄悄为地面的配方工业与材料科学积累着最基础的数据。

下一次再看到两个水油球“贴脸却不相融”，不妨记住：在太空中，胜负不由轻重决定，而由分子之间那份“愿不愿意牵手”决定。

机制示意图

最新国际研究进展

近年来的进展表明，这一领域已从“现象演示”走向“定量机制”与“空间应用”：

• 空间站乳化液老化的定量刻画（2024—2025）：Lorusso等人在国际空间站ESA“软物质动力学”（Soft Matter Dynamics, SMD）设施中，用扩散波谱（DWS）实时追踪水包油乳化液内液滴的固有动力学。他们发现液滴运动早期呈瞬态弹道特征、随后转入以扩散为主的稳态，老化早期以“小滴并小滴”的聚并/聚集为主，后期则出现“小滴并入大滴”。这项工作首次在微重力下剥离了浮力干扰，把乳化液稳定性的底层过程量化出来，为地面配方工业提供了可复现的机理模型^[3]。

• 微重力下超声乳化的界面机制（2026）：一项2026年发表于Ultrasonics Sonochemistry的抛物飞行实验，用高速摄影揭示了无重力下油水界面的拓扑演化。研究表明：微重力下界面由毛细力主导，空化区与界面难以持续作用，导致乳化速率变慢、分散均匀度下降。这一发现直接关系到未来空间环境中多相流体加工设备的设计^[4]。

• 空间微流控与双重乳化（2025）：在2025年第76届国际宇航大会（IAC）上，ADI-ALPHA任务的“双重乳化实验模块”（DEEM）演示了在微重力下用微流控芯片生成单分散水包油液滴；尽管完整的双重乳液在初步分析中发生了坍缩，但整个平台经受住了再入过载的考验，为空间药物封装、功能食品与化妆品的“太空制造”铺平了道路^[5]。

• 系统性的理论视角（2023）：一篇发表于Communications Physics的综述指出，微重力是研究软物质形态发生（液滴、薄膜、气泡的形状与图案）的理想“无浮力实验室”，并呼吁为已有大量实验建立定量物理模型^[6]。

未来展望

• 从“稳定与否”到“如何调控”：借助空间站的软物质实验设施，研究将聚焦于如何主动控制界面膜排液、破膜与聚并，把乳化液从“碰运气稳定”变成“按需稳定”。

• 服务空间与地面双向应用：药物微胶囊、益生菌/营养素的包埋、化妆品活性成分递送，以及月球/火星基地的原位流体加工，都可能从微重力乳化研究获益；同时，空间里获得的机理又将反哺地面配方设计。

• 实验与建模深度融合：结合光学追踪、数值模拟与机器学习，建立可预测的乳化液老化模型，替代大量经验试错。

• 多平台协同：除国际空间站外，各国空间站与可回收微重力平台正陆续投入，未来有望形成“地面预实验—短时微重力—空间站长期观测”的完整链条。

参考文献

[1] Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA). Double-Layered Liquid Ball[EB/OL]. Asian Try Zero-G 2018, ISS Kibo Module, 2018.

[2] JAXA Kibo Utilization Office for Asia (KUOA). So excited with unexpected results! Asian Try Zero-G 2018 was performed by JAXA astronaut Norishige Kanai[EB/OL]. (2018-02-15).https://iss.jaxa.jp/en/kuoa/news/kiboabc_tzg_180215_en.html.

[3] LORUSSO V, ORSI D, VACCARI M, et al. Intrinsic dynamics of emulsions: experiments in microgravity on the International Space Station[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2025, 677(Part A): 231-243. DOI: 10.1016/j.jcis.2024.07.205. PMID: 39089129.

[4] High-speed visualization of ultrasonic emulsification in microgravity: interactions between cavitation dynamics and liquid–liquid interface topology[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2026, 130: 107895. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2026.107895.

[5] DUGGINENI R. Microgravity-enhanced double emulsion formation: pioneering next-generation space microfluidics for advanced multidisciplinary applications[C]. 76th International Astronautical Congress (IAC-25), 2025.

[6] BEN AMAR M, CIARLETTA P, HAAS P A. Morphogenesis in space offers challenges and opportunities for soft matter and biophysics[J]. Communications Physics, 2023, 6: 150. DOI: 10.1038/s42005-023-01242-9.

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