空间站旅行归来的“宝贝”将揭示哪些奥秘

▲中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家展示从“神十五”样品盒中取出的存有硒化铟的石英管。本批次随高温材料货包一同返回的样品中包括五个高温材料实验样品。袁婧 摄 冯晓瑜 制图

拧开螺丝、撤出垫片，一支长约20厘米的石英管子从带着黑色灼烧痕迹的陶瓷保护管中“冒出头”来。看到乌黑泛光、表面起泡的铟硒半导体晶体，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘学超兴奋地说：“很成功，晶体在太空长得不错！”

近日，上海硅酸盐研究所迎来了神舟十五号载人飞船带回的空间站高温材料科学实验柜（高温材料柜）首次下行材料样品，以及无容器实验柜下行的第四批样品。这些从空间站旅行归来的材料样品，被来自天南地北的科学家分别接回实验室。他们将从中求解材料科学的奥秘，为提升我国先进材料的工艺和性能探索新路径。

6月4日，装在高温材料货包中的高温材料柜与无容器实验柜中的样品，随“神十五”载人飞船返回舱从中国空间站返回地面。本批次样品包括5个高温材料实验样品和3盒无容器材料实验样品，分别涉及高温合金、半导体材料、功能晶体等。

6月21日的交接仪式上，中国载人航天工程空间应用系统副总设计师刘国宁将这批样品郑重地一一交接、分发给了中国科学院金属研究所、半导体研究所、上海硅酸盐研究所和西北工业大学、中国地质大学（武汉）、上海电机学院的科学家。

“得知今天接收材料，我们兴奋得凌晨两三点都没睡着。”作为高温材料科学实验系统主任设计师，刘学超掩不住内心的兴奋。作为我国最新一代的空间材料实验装置之一，高温材料柜是开展太空微重力材料科学实验的重要平台。2022年10月31日，该实验柜成功发射入轨，迄今已稳定在空间站运行200多天。

由于晶体生长缓慢，一旦实验启动，需要少则十几小时、多则上百小时的连续值守。为此，高温材料实验系统团队在北京的地面控制中心开启了“双岗双人”的值班模式。

天上一分钟，地上十年功。为与空间站实验获取的样品进行比对，科研人员还在地面上进行了大量匹配实验。“这张图上有33万个数据点，来自十几个小时的地面实验。”刘学超指着一张图纸说，只有这样，才能保障天上仅有的实验成功。今年5月，高温材料柜完成了第一批空间材料科学实验，这次带回的5个样品是它的首批成果。

交接仪式现场，刘学超打开了第一支样品管，一眼看上去，晶体生长良好。这支样品管中的铟硒半导体样品，是上海电机学院教授金敏的“宝贝”。一次偶然的机会，金敏教授在办公室“手撕”铟硒半导体这种层状材料，无意中将其折叠又展开，发现它竟然没像其他半导体材料那样脆生生断裂，而是具有柔韧的塑性。于是，他对这种材料产生了兴趣。

在国际权威学术期刊《科学》上发表相关论文后，金敏又联系更多同行，进一步研究铟硒半导体。“一般半导体材料在空间生长，晶体的缺陷可减少上百倍。”金敏希望从这次获得的空间生长晶体中，探寻这种材料的更多奥秘。

几乎每位接收样品的科学家，都提到了空间站微重力为研制新材料带来的好处。无容器材料科学实验系统主任设计师、上海硅酸盐研究所研究员余建定说，无容器实验柜避免了容器带来的影响，在空间站微重力条件下，可以获得多种组分均匀分布的新材料，“有些材料在地面重力影响下会像水油一样分层，几乎无法做到水乳交融”。

这次送来的无容器实验柜样品已是第四批。一只不过15厘米见方的样品盒中，可装载29个样品，每个样品直径仅有两三毫米，上天时共带有10盒样品。

此次带回的3盒样品中，既有金属材料，也有非金属材料。“它们有的对研发大飞机叶片、提升其性能，将起到重要作用；有的则意在对小行星早期的星胚形成过程进行探索。”余建定说，无容器柜自2021年4月29日随天和核心舱成功发射后，迄今已稳定运行700多天，“未来我们还将设法进一步提高实验温度，并在更宽的参数范围内对材料进行测试”。

刚收到返回的样品，金敏已在筹划铟硒半导体材料实验的二次上天，“材料的研制，仅靠一次是不够的，必须经过多次验证、迭代，才能不断提高性能，接近最终目的”。

对此，余建定也有同感。如今，上海硅酸盐研究所正在承担飞机发动机叶片新材料的研制，“未来要研制第四代高温合金材料，必须上天研究其性能变化。”

余建定介绍，大多数飞机发动机叶片的报废，都因为金属材料在浇铸过程中，从1500℃高温冷却到室温的过程中，由于收缩不均匀，导致性能不达标。而要搞清冷却过程，就得把材料体积测得非常准，“空间站环境受重力影响小，小球形变少，可更精确地测得体积，还能测试材料的表面张力和黏性”。这有利于测定浇铸过程中的基本参数，并据此通过仿真改进工艺。

上海硅酸盐研究所副所长苏良碧说，自1992年载人航天工程实施以来，上海硅酸盐研究所在空间材料实验装置方面开展了30年研究。目前，他们已投入到新一代新型材料综合实验系统的研制中。新设备将利用激光加热，实现材料制备最高工作温度2200℃以上，与空间站现有的材料实验装置形成互补。