今年“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室和“神舟十一號(hào)”飛船的成功對(duì)接，是我國(guó)航天科技的一大盛事。11月18日下午，“神舟十一號(hào)”飛船返回艙安全降落，兩位航天員凱旋而歸。他們也創(chuàng)造了中國(guó)航天員太空駐留時(shí)間的新紀(jì)錄，引來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)中國(guó)航天的一片點(diǎn)贊！

大家知道嗎，太空同時(shí)也是制造完美材料夢(mèng)寐以求之地，在這次“天宮二號(hào)”和“神舟十一號(hào)”的科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，我國(guó)科學(xué)家和工程師們利用一套“八卦煉丹爐”開(kāi)展了一系列的太空材料實(shí)驗(yàn)，為我國(guó)的材料科學(xué)探索掀開(kāi)了嶄新篇章。

我們把地球表面高度幾百公里以外的外層宇宙空間稱之為太空，那么太空這樣的空間有什么樣的特點(diǎn)呢？

第一是微重力，在這里我們可以感受到的重力是地球表面的萬(wàn)分之一、十萬(wàn)分之一甚至更??；

第二是超高真空，沒(méi)有可以呼吸的空氣；

第三是超潔凈，沒(méi)有灰塵；

第四是強(qiáng)輻射，在我們大氣層以外空間里面紫外線、高能射線非常強(qiáng)；

第五是超低溫，溫度很低低，常達(dá)到零下兩百多攝氏度。

太空中這些極端物理?xiàng)l件對(duì)于我們科學(xué)技術(shù)探索來(lái)說(shuō)都是非常寶貴的，而在地面上實(shí)現(xiàn)又是很困難、代價(jià)非常高昂的，所以太空的這些特點(diǎn)和環(huán)境條件的確是寶貴的資源，因此從上個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界上的航天大國(guó)都爭(zhēng)相搶奪太空的制高點(diǎn)，目的就是想開(kāi)發(fā)和利用太空資源。

在微重力下的材料合成有什么不同呢？這要首先從地面上說(shuō)起。

地面上因?yàn)橛兄亓ξ覀儠?huì)發(fā)現(xiàn)一些常見(jiàn)的現(xiàn)象，比如說(shuō)冰浮在水面上，對(duì)流，整個(gè)流體里面由于溫度不均勻會(huì)有流動(dòng)，沉降效應(yīng)，靜水壓效應(yīng)，這些都是重力引起的，這些現(xiàn)象對(duì)于我們材料合成常常都是不利的因素。比如說(shuō)沉降效應(yīng)，我們?nèi)粘Ｖ惺褂玫奈锲反蟛糠侄际莾煞N以上的元素組成的，在熔化制造過(guò)程中會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？重的元素、密度大的往往往下沉，輕的在上面，這樣就形成了分層、不均勻，最后出來(lái)的材料性能、質(zhì)量就可能不太好。

所以我們材料學(xué)家想竭力避免這種現(xiàn)象，要想辦法克服地球重力的影響。他們理想中的結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？

像上圖右側(cè)這樣的，像火龍果一樣，一粒一粒的顆粒，均勻的分散在物體里面，這樣是一個(gè)內(nèi)部組成均勻分布的概念，地面上材料合成要做到這樣是比較困難的，但是在微重力下卻是很容易實(shí)現(xiàn)的。

那么在太空中進(jìn)行材料合成有哪些好處呢？

在微重力條件下，對(duì)流、沉降等極大減弱，我們有希望可以獲得更好的材料制備結(jié)果，比如太空中制備的材料具有更好的結(jié)晶完整性、更高的均勻性、更高純度以及更大的尺寸。

要在太空中做微重力條件下的材料實(shí)驗(yàn)，必須要利用各種裝備。

人類歷史上第一次在太空中進(jìn)行材料研究是蘇聯(lián)人，1969年10月11日蘇聯(lián)聯(lián)盟6號(hào)飛船升空，宇航員首次用“火神”號(hào)焊接爐成功地進(jìn)行了鋁合金，鈦合金和不銹鋼的焊接實(shí)驗(yàn)。

我國(guó)1987年8月在第9顆返回式衛(wèi)星上利用空間多用途材料加工爐進(jìn)行了砷化鎵等材料的生長(zhǎng)，這是我國(guó)的第一次空間材料實(shí)驗(yàn)。今年4月，在“實(shí)踐十號(hào)”返回式衛(wèi)星上，科學(xué)家們利用多功能材料合成爐做了多種材料的實(shí)驗(yàn)，接著下半年是“天宮二號(hào)”上綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展的材料實(shí)驗(yàn)。

整個(gè)空間材料的歷史不是很長(zhǎng)，四五十年，我國(guó)整個(gè)材料實(shí)驗(yàn)按飛行任務(wù)次數(shù)一共有十幾次，獲得的樣品有幾十種，與此同時(shí)，國(guó)際上美國(guó)，俄羅斯，歐洲做了上千次太空材料實(shí)驗(yàn)，所以我們國(guó)家的實(shí)驗(yàn)任務(wù)還是比較少的，機(jī)會(huì)非常寶貴。

“天宮二號(hào)”上的綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置，其主體是材料實(shí)驗(yàn)爐，大概半米高，重是21公斤多，它有哪些特點(diǎn)呢？

材料電控箱（左）、材料實(shí)驗(yàn)爐（中）、材料樣品袋（右）“三兄弟”在地球上的最后合影

第一個(gè)特點(diǎn)是高效節(jié)能，用一百瓦的功率就可以實(shí)現(xiàn)一千度的高溫，里面的關(guān)鍵技術(shù)是我們采用了很多絕熱保溫措施，從而提高加熱效率、減少熱量向外散發(fā)。

第二是多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，我們?cè)诜浅＊M小的空間里布了21個(gè)溫度傳感器，這種設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)的空間材料實(shí)驗(yàn)中是首次。這是一種測(cè)量?jī)?nèi)部多點(diǎn)溫度的設(shè)計(jì)，好處是能夠獲得空間環(huán)境的傳熱特性數(shù)據(jù)，以前這些數(shù)據(jù)都是空白的，我們希望有了這樣一些數(shù)據(jù)，能為將來(lái)太空中的裝置設(shè)計(jì)、材料實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供更多的參考。

第三是高精度樣品位置控制，通過(guò)一套精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，定位精度可以達(dá)到0.1毫米。

第四是人機(jī)界面，這次是我國(guó)第一次有人在太空中參與我們的材料實(shí)驗(yàn)操作，航天員要給我們兩次更換樣品，所以要進(jìn)行可靠的操作界面設(shè)計(jì)。

11月18日下午，兩名航天員完成在“天宮二號(hào)”上的系列任務(wù)后，搭乘“神舟十一號(hào)”飛船成功返回地面，這次航天員給我們帶來(lái)什么寶貝呢？是兩批次12支材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品。

在“天宮二號(hào)”上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的材料樣品有18種之多，歸納下來(lái)有幾大類，包括半導(dǎo)體光電子材料、金屬合金及亞穩(wěn)材料、新型功能單晶、納米及復(fù)合材料等。例如碲化鋅晶體，可以用于未來(lái)更高靈敏度的太赫茲探測(cè)器材料；介孔基納米復(fù)合材料，用于新一代的光纖通信；多元復(fù)相合金，探索凝固科學(xué)理論，尋求新的發(fā)現(xiàn)；碘化銫晶體，用于高能物理、核醫(yī)學(xué)成像探測(cè)器；碲化鉍晶體，是一種新型熱電發(fā)電、熱點(diǎn)制冷材料。

“天宮二號(hào)”任務(wù)之后，我國(guó)將實(shí)施空間站計(jì)劃。按照目前的規(guī)劃，我國(guó)空間站里將設(shè)置開(kāi)展材料科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)柜。這種實(shí)驗(yàn)柜是一個(gè)集材料的制備、加工、分析、處理、測(cè)試的一體化平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)柜在軌工作時(shí)間將達(dá)到十年甚至更長(zhǎng)，可以為材料科學(xué)家提供更好的資源條件。

在未來(lái)的空間站上，我們可能一年就能制備和合成上百種材料，超過(guò)我國(guó)過(guò)去近三十年的總和，這是科學(xué)家們所向往的。

本文來(lái)源：科學(xué)大院