2019年，机械工程学教授Arindam Banerjee与他的团队发表了一项研究。他们利用蛋黄酱和一套旋转轮的实验装置，探索了弹塑性材料的瑞利-泰勒不稳定性的阈值。
现在，在一项不久前发表在《物理评论E》杂志的新研究中，他们继续利用蛋黄酱，研究了在瑞利-泰勒不稳定性中，从纯弹性阶段到稳定的塑性阶段的过渡。
他们的研究结果有助于科学家更好地理解核聚变背后的物理，为未来清洁能源的惯性约束聚变过程的实验设计提供见解。
惯性约束聚变
核聚变是太阳的能量来源。简单来说，核聚变是两个轻原子核相互碰撞形成重原子核，并释放出大量能量的过程。科学家相信，就发电潜力而言，没有任何一种能源能像核聚变那样清洁、低碳、低风险、低废弃物、可持续和可控。
然而，要在地球上真正实现这一过程却困难重重。数十年来，科学家虽然已经尝试从多个角度研究这个问题，但核聚变仍然只是能源领域的“下一件大事”。
惯性约束聚变是通过核聚变产生能量的一种方法。它通过快速压缩并加热充满氢的靶丸，使氢聚变成更重的元素（比如氦），并释放出大量的能量。这个过程涉及到数百万开尔文的高温和吉帕斯卡级别的高压，在如此极端的温度和压力下，靶丸会融化，形成等离子体。
而与等离子体相关的一个重大的问题是，在等离子体中，非常容易形成流体动力学不稳定性，这会减少能量的产生。
蛋黄酱的弹性与塑性
在Banerjee等人于2019年发表的与蛋黄酱相关的第一篇论文中，他们就对“瑞利-泰勒不稳定性”进行了研究。这种现象发生在两种有着不同密度的材料之间，在引力或任何加速场的存在下，当密度和压力梯度方向相反时，材料之间就会出现不稳定的分层。
但是，想要在核聚变所需的极端条件下研究这现象是非常困难的。因此，在这项新的实验中，为了模拟等离子体的流动情况，科学家利用蛋黄酱和一个旋转轮设备，观察了蛋黄酱是如何与气体混合的。
蛋黄酱。（图/jules/CC BY 2.0）
之所以选择蛋黄酱，是因为使用蛋黄酱可以绕开对高温、高压条件的需求。而且更关键的是，它的行为介于弹性与塑性之间——既可以表现得像固体，又可以在受到压力梯度时开始流动。
在最初的研究中，科学家发现的一件事是，在蛋黄酱的流动变得不稳定之前，它们经历了几个阶段：如果对蛋黄酱施加压力，它就会开始变形，但如果消除压力，它就会恢复到原来的形状（弹性）。如果用力一扔，它就能永久地改变形状或破裂（塑性）。
所以说，蛋黄酱先有一个弹性阶段，然后是稳定的塑性阶段，下一个阶段便是当它开始流动时——这时不稳定性开始出现了。
从弹性到塑性
了解弹性阶段和稳定的塑性阶段之间的过渡至关重要，因为这一过程也可能发生在使用激光启动的核聚变实验中。如果能知道塑性是从何时开始的，就可以为何时会发生不稳定性提供警示，进而帮助科学家控制条件，以维持在弹性阶段或稳定的塑性阶段。
在这项实验中，研究人员将蛋黄酱倒入一个有机玻璃容器中，然后在蛋黄酱中制造波浪形的微扰。接着，他们将容器放在一个“8字形”的旋转轮上。一旦加速度超过一个临界值，蛋黄酱就开始流动。当轮子停止转动后，研究人员会观察这团物质是恢复成了原来的形状，还是改变了形状或破裂了——这决定着弹性和塑性之间的边界。
他们用高速摄像机追踪了蛋黄酱的行为，观察到不稳定的阈值取决于初始条件（振幅和波长）。一直以来，科学家都在争论，弹性材料和塑料材料之间的所谓“不稳定阈值”究竟取决于初始条件，还是与局部灾难性过程有关。现在，蛋黄酱实验为我们提供了一个答案。
结果匹配
这一发现很重要，因为它可以为核聚变的靶丸设计提供信息，使它们永远不会变得不稳定。
研究人员表示，这项新的研究揭示了用于惯性约束聚变的靶丸的结构完整性，更仔细地研究了材料的性质，振幅和波长条件，以及这些材料在达到瑞利-泰勒不稳定阈值时的加速度。科学家对从弹性阶段到塑性阶段的过度了解得越多，就越能通过控制条件来维持弹性阶段或塑性阶段，避免不稳定性的出现。
然而，一个迫在眉睫的问题是，研究团队的数据是否与实际聚变靶丸中发生的情况相匹配？毕竟，蛋黄酱实验中的条件与现实世界中的核聚变实验条件相差许多个数量级。
对此，研究人员表示，在这项研究中，他们对数据进行了无量纲化处理，并寄希望于他们预测的行为能超越这种差异。他们正试图通过在旋转的轮子上使用蛋黄酱的模拟实验，来提高对这些熔融的、高温高压的等离子体靶丸的可预测性。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://engineering.lehigh.edu/news/article/lehigh-university-researchers-dig-deeper-stability-challenges-nuclear-fusion-mayonnaise
https://engineering.lehigh.edu/news/article/researchers-reveal-instability-threshold-elastic-plastic-material-using-mayonnaise
https://arstechnica.com/science/2024/08/kitchen-science-how-mayonnaise-is-advancing-nuclear-fusion-research/
https://www.sciencenews.org/article/mayonnaise-nuclear-fusion
#图片来源：
封面图&首图：Pawel Czerwinski / Unsplash
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