擰開螺絲、撤出墊片，一支長約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?？吹綖鹾诜汗?、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，晶體在太空長得不錯(cuò)！”

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。

(資料圖)

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，我們興奮得凌晨兩三點(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。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，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)。”劉學(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，晶體生長良好

交接儀式現(xiàn)場，劉學(xué)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(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，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，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ρ邪l(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)對材料進(jìn)行測試”。

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?！?/p>

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，可更精確地測得體積，還能測試材料的表面張力和黏性”。這有利于測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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