擰開螺絲、撤出墊片，一支長(zhǎng)約20厘米的石英管子從帶著黑色灼燒痕跡的陶瓷保護(hù)管中“冒出頭”來。看到烏黑泛光、表面起泡的銦硒半導(dǎo)體晶體，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉學(xué)超興奮地說：“很成功，晶體在太空長(zhǎng)得不錯(cuò)！”
(資料圖)
昨天，上海硅酸鹽研究所迎來了神舟十五號(hào)載人飛船帶回的空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（高溫材料柜）首次下行材料樣品，以及無容器實(shí)驗(yàn)柜下行的第四批樣品。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(xué)家分別接回實(shí)驗(yàn)室。他們將從中求解材料科學(xué)的奧秘，為提升我國先進(jìn)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，裝在高溫材料貨包中的高溫材料柜與無容器實(shí)驗(yàn)柜中的樣品，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(gè)高溫材料實(shí)驗(yàn)樣品和3盒無容器材料實(shí)驗(yàn)樣品，分別涉及高溫合金、半導(dǎo)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(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師劉國寧將這批樣品鄭重地一一交接、分發(fā)給了中國科學(xué)院金屬研究所、半導(dǎo)體研究所、上海硅酸鹽研究所和西北工業(yè)大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）、上海電機(jī)學(xué)院的科學(xué)家。
“得知今天接收材料，我們興奮得凌晨?jī)扇c(diǎn)都沒睡著?！弊鳛楦邷夭牧峡茖W(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師，劉學(xué)超掩不住內(nèi)心的興奮。作為我國最新一代的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置之一，高溫材料柜是開展太空微重力材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要平臺(tái)。2022年10月31日，該實(shí)驗(yàn)柜成功發(fā)射入軌，迄今已穩(wěn)定在空間站運(yùn)行200多天。
由于晶體生長(zhǎng)緩慢，一旦實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)，需要少則十幾小時(shí)、多則上百小時(shí)的連續(xù)值守。為此，高溫材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)在北京的地面控制中心開啟了“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(shí)驗(yàn)獲取的樣品進(jìn)行比對(duì)，科研人員還在地面上進(jìn)行了大量匹配實(shí)驗(yàn)?！斑@張圖上有33萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，來自十幾個(gè)小時(shí)的地面實(shí)驗(yàn)?！眲W(xué)超指著一張圖紙說，只有這樣，才能保障天上僅有的實(shí)驗(yàn)成功。今年5月，高溫材料柜完成了第一批空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這次帶回的5個(gè)樣品是它的首批成果。
打開第一支樣品，晶體生長(zhǎng)良好
交接儀式現(xiàn)場(chǎng)，劉學(xué)超打開了第一支樣品管，一眼看上去，晶體生長(zhǎng)良好。這支樣品管中的銦硒半導(dǎo)體樣品，是上海電機(jī)學(xué)院教授金敏的“寶貝”。一次偶然的機(jī)會(huì)，金敏教授在辦公室“手撕”銦硒半導(dǎo)體這種層狀材料，無意中將其折疊又展開，發(fā)現(xiàn)它竟然沒像其他半導(dǎo)體材料那樣脆生生斷裂，而是具有柔韌的塑性。于是，他對(duì)這種材料產(chǎn)生了興趣。
在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表相關(guān)論文后，金敏又聯(lián)系更多同行，進(jìn)一步研究銦硒半導(dǎo)體?！耙话惆雽?dǎo)體材料在空間生長(zhǎng)，晶體的缺陷可減少上百倍?！苯鹈粝Ｍ麖倪@次獲得的空間生長(zhǎng)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(xué)家，都提到了空間站微重力為研制新材料帶來的好處。無容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師、上海硅酸鹽研究所研究員余建定說，無容器實(shí)驗(yàn)柜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布的新材料，“有些材料在地面重力影響下會(huì)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(shí)驗(yàn)柜樣品已是第四批。一只不過15厘米見方的樣品盒中，可裝載29個(gè)樣品，每個(gè)樣品直徑僅有兩三毫米，上天時(shí)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?！八鼈冇械膶?duì)研發(fā)大飛機(jī)葉片、提升其性能，將起到重要作用；有的則意在對(duì)小行星早期的星胚形成過程進(jìn)行探索?！庇嘟ǘㄕf，無容器柜自2021年4月29日隨天和核心艙成功發(fā)射后，迄今已穩(wěn)定運(yùn)行700多天，“未來我們還將設(shè)法進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)溫度，并在更寬的參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)材料進(jìn)行測(cè)試”。
籌劃二次上天，新一代實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已在路上
剛收到返回的樣品，金敏已在籌劃銦硒半導(dǎo)體材料實(shí)驗(yàn)的二次上天，“材料的研制，僅靠一次是不夠的，必須經(jīng)過多次驗(yàn)證、迭代，才能不斷提高性能，接近最終目的”。
對(duì)此，余建定也有同感。如今，上海硅酸鹽研究所正在承擔(dān)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片新材料的研制，“未來要研制第四代高溫合金材料，必須上天研究其性能變化。”
余建定介紹，大多數(shù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的報(bào)廢，都因?yàn)榻饘俨牧显跐茶T過程中，從1500℃高溫冷卻到室溫的過程中，由于收縮不均勻，導(dǎo)致性能不達(dá)標(biāo)。而要搞清冷卻過程，就得把材料體積測(cè)得非常準(zhǔn)，“空間站環(huán)境受重力影響小，小球形變少，可更精確地測(cè)得體積，還能測(cè)試材料的表面張力和黏性”。這有利于測(cè)定澆鑄過程中的基本參數(shù)，并據(jù)此通過仿真改進(jìn)工藝。
上海硅酸鹽研究所副所長(zhǎng)蘇良碧說，自1992年載人航天工程實(shí)施以來，上海硅酸鹽研究所在空間材料實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制中。新設(shè)備將利用激光加熱，實(shí)現(xiàn)材料制備最高工作溫度2200℃以上，與空間站現(xiàn)有的材料實(shí)驗(yàn)裝置形成互補(bǔ)。
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