空間站旅行歸來的“寶貝”將揭示哪些奧秘_風聞

來源：文匯報

中國科學院上海硅酸鹽研究所的科學家展示從“神十五”樣品盒中取出的存有硒化銦的石英管。 本批次隨高温材料貨包一同返回的樣品中包括五個高温材料實驗樣品。 均本報記者 袁婧 攝 製圖：馮曉瑜

擰開螺絲、撤出墊片，一支長約20釐米的石英管子從帶着黑色灼燒痕跡的陶瓷保護管中“冒出頭”來。看到烏黑泛光、表面起泡的銦硒半導體晶體，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員劉學超興奮地説：“很成功，晶體在太空長得不錯！”

昨天，上海硅酸鹽研究所迎來了神舟十五號載人飛船帶回的空間站高温材料科學實驗櫃（高温材料櫃）首次下行材料樣品，以及無容器實驗櫃下行的第四批樣品。這些從空間站旅行歸來的材料樣品，被來自天南地北的科學家分別接回實驗室。他們將從中求解材料科學的奧秘，為提升我國先進材料的工藝和性能探索新路徑。

期待接收材料，興奮到失眠

6月4日，裝在高温材料貨包中的高温材料櫃與無容器實驗櫃中的樣品，隨“神十五”載人飛船返回艙從中國空間站返回地面。本批次樣品包括5個高温材料實驗樣品和3盒無容器材料實驗樣品，分別涉及高温合金、半導體材料、功能晶體等。

昨天的交接儀式上，中國載人航天工程空間應用系統副總設計師劉國寧將這批樣品鄭重地一一交接、分發給了中國科學院金屬研究所、半導體研究所、上海硅酸鹽研究所和西北工業大學、中國地質大學（武漢）、上海電機學院的科學家。

“得知今天接收材料，我們興奮得凌晨兩三點都沒睡着。”作為高温材料科學實驗系統主任設計師，劉學超掩不住內心的興奮。作為我國最新一代的空間材料實驗裝置之一，高温材料櫃是開展太空微重力材料科學實驗的重要平台。2022年10月31日，該實驗櫃成功發射入軌，迄今已穩定在空間站運行200多天。

由於晶體生長緩慢，一旦實驗啓動，需要少則十幾小時、多則上百小時的連續值守。為此，高温材料實驗系統團隊在北京的地面控制中心開啓了“雙崗雙人”的值班模式。

天上一分鐘，地上十年功。為與空間站實驗獲取的樣品進行比對，科研人員還在地面上進行了大量匹配實驗。“這張圖上有33萬個數據點，來自十幾個小時的地面實驗。”劉學超指着一張圖紙説，只有這樣，才能保障天上僅有的實驗成功。今年5月，高温材料櫃完成了第一批空間材料科學實驗，這次帶回的5個樣品是它的首批成果。

打開第一支樣品，晶體生長良好

交接儀式現場，劉學超打開了第一支樣品管，一眼看上去，晶體生長良好。這支樣品管中的銦硒半導體樣品，是上海電機學院教授金敏的“寶貝”。一次偶然的機會，金敏教授在辦公室“手撕”銦硒半導體這種層狀材料，無意中將其摺疊又展開，發現它竟然沒像其他半導體材料那樣脆生生斷裂，而是具有柔韌的塑性。於是，他對這種材料產生了興趣。

在國際權威學術期刊《科學》上發表相關論文後，金敏又聯繫更多同行，進一步研究銦硒半導體。“一般半導體材料在空間生長，晶體的缺陷可減少上百倍。”金敏希望從這次獲得的空間生長晶體中，探尋這種材料的更多奧秘。

幾乎每位接收樣品的科學家，都提到了空間站微重力為研製新材料帶來的好處。無容器材料科學實驗系統主任設計師、上海硅酸鹽研究所研究員餘建定説，無容器實驗櫃避免了容器帶來的影響，在空間站微重力條件下，可以獲得多種組分均勻分佈的新材料，“有些材料在地面重力影響下會像水油一樣分層，幾乎無法做到水乳交融”。

這次送來的無容器實驗櫃樣品已是第四批。一只不過15釐米見方的樣品盒中，可裝載29個樣品，每個樣品直徑僅有兩三毫米，上天時共帶有10盒樣品。

此次帶回的3盒樣品中，既有金屬材料，也有非金屬材料。“它們有的對研發大飛機葉片、提升其性能，將起到重要作用；有的則意在對小行星早期的星胚形成過程進行探索。”餘建定説，無容器櫃自2021年4月29日隨天和核心艙成功發射後，迄今已穩定運行700多天，“未來我們還將設法進一步提高實驗温度，並在更寬的參數範圍內對材料進行測試”。

籌劃二次上天，新一代實驗系統已在路上

剛收到返回的樣品，金敏已在籌劃銦硒半導體材料實驗的二次上天，“材料的研製，僅靠一次是不夠的，必須經過多次驗證、迭代，才能不斷提高性能，接近最終目的”。

對此，餘建定也有同感。如今，上海硅酸鹽研究所正在承擔飛機發動機葉片新材料的研製，“未來要研製第四代高温合金材料，必須上天研究其性能變化。”

餘建定介紹，大多數飛機發動機葉片的報廢，都因為金屬材料在澆鑄過程中，從1500℃高温冷卻到室温的過程中，由於收縮不均勻，導致性能不達標。而要搞清冷卻過程，就得把材料體積測得非常準，“空間站環境受重力影響小，小球形變少，可更精確地測得體積，還能測試材料的表面張力和黏性”。這有利於測定澆鑄過程中的基本參數，並據此通過仿真改進工藝。

上海硅酸鹽研究所副所長蘇良碧説，自1992年載人航天工程實施以來，上海硅酸鹽研究所在空間材料實驗裝置方面開展了30年研究。目前，他們已投入到新一代新型材料綜合實驗系統的研製中。新設備將利用激光加熱，實現材料製備最高工作温度2200℃以上，與空間站現有的材料實驗裝置形成互補。