梦天舱里如何做材料科学实验？这两个“上海造”实验柜是关键

“知道今天要交接这些样品了，我们都很激动，许多科学家们一晚上都没睡好。” 高温材料实验柜科学实验系统主任设计师、中国科学院上海硅酸盐研究所研究员刘学超分享道，由中国科学院上海硅酸盐研究所牵头研制的高温材料实验柜，历经八年开发，于2022年10月31日随梦天舱成功发射开展工作任务。今年6月4日，神舟十五号载人飞船返回舱从中国空间站返回地面，带回了高温材料实验柜（高温材料柜）首次下行材料样品。

一同返回的，还有同在梦天舱的无容器实验柜中的第四批样品。无容器柜同样由硅酸盐所牵头研制，已返回四批样品。截至目前，高温材料实验柜与无容器实验柜已分别稳定在轨运行200余天和700余天。

6月21日，空间站材料科学实验样品交接仪式暨空间材料研讨会在中国科学院上海硅酸盐研究所举行，从“大飞机”的发动机材料，到红外探测器的半导体核心部件，再到未来可能的可穿戴柔性电子器件……由上海硅酸盐所牵头研制的高温材料实验柜与无容器实验柜，为新材料在微重力太空环境下的探索，注入了澎湃动力。

太空微重力环境下，

实验柜如何为材料生长保驾护航？

空间站高温材料柜

高温材料柜是由我国自主研制的空间微重力材料科学实验装置，是开展太空微重力材料科学实验的重要平台，可在微重力下支持材料的高温加热、定向凝固、梯度生长、快速冷却、磁场搅拌、参数实时测量、实时观察等功能，是我国最新一代的空间材料实验装置之一。

本批次随高温材料货包返回的样品包括5个高温材料实验样品和3盒无容器材料实验样品，分别交接与分发给中国科学院金属研究所、西北工业大学、中国科学院半导体研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所、中国地质大学(武汉)、上海电机学院，涉及高温合金、半导体材料、功能晶体等。

上海电机学院材料学院教授金敏，将具有超常塑性的二维结构InSe半导体单晶材料放入了高温材料实验柜中。2020年，该材料的发现曾登上国际顶尖学术期刊《Science》，并写入《2020上海科技进步报告》。如今从太空中返回的样品，将为该材料的下一步研究与开发，带来新的数据。

在现场，这一材料从容器中取出，露出一根透明的石英管，石英管中的银色晶体经过80多个小时的生长，可以说是“长势喜人”。据金敏介绍，InSe材料的突破性在于其作为半导体材料，具有韧性，像石墨烯一样可以折叠，未来有可能在可穿戴柔性电子器件上应用。

“晶体的生长就像排队，最好的晶体是前后左右都整整齐齐的。”金敏说道，太空微重力的环境就像排队时吹出的一声哨子，让晶体列队整整齐齐。

“这个材料的电学性其实并不好，但是在办公室‘玩’的时候，发现可以折，折完发现没有断，于是发现里面有东西可以‘挖’。”金敏谈道，目前在太空微重力的环境下，团队正尝试基于该材料进一步调试，“就像炒菜一样微调”，并与地面环境生长出的晶体做比较，以期有新的发现。另一方面，金敏也谈道，太空中制备出来的晶体可以作为“子晶”，类似“药引子”，让地面上也能基于这个“子晶”制备出更大更好的晶体。

天地联动，远程操控

中国科学院上海硅酸盐研究所研究员余建定是无容器实验柜中编号Z02-7样品盒的负责人，据他介绍，他送上太空的样品，与飞机的发动机有关。

余建定向记者介绍道，飞机发动机的涡轮叶片需要的精度非常高，因此在制造的浇筑过程，材料从液态到固态的收缩率是一个重要指标，“需要保证浇筑下去，室温成型时，尺寸能够满足要求。”而在空间的微重力环境下，对于物体的密度、表面张力等性能的测试将会更加的精准。

“通常，我们要加热融化一个材料，首先要容器。”那么为何需要“无容器”呢？余建定解释道，容器壁对于材料会造成微小的影响，“差之毫厘，失之千里”。同时，在地面上，无法排除重力的干扰，而太空的微重力环境可以让材料形成一个非常均匀的组织，这样的均匀组织，将急剧提高材料的性能。

据余建定介绍，在无容器实验柜中，每个样品盒装有29个样品，上天后，宇航员把这个样品盒就插到这个实验装置里面，实验人员在地面上进行控制，将样品放到样品盒外面，这一过程称为释放，然后通过激光进行加热熔化，进行测试，测试后将样品回收至样品盒中，并由宇航员将其从实验柜中取出，最终带回地面交接给实验人员。这是一个天地联动，共同操纵的过程。

据悉，无容器柜自2021年4月29日随天和核心舱成功发射后，先后成功完成并返回了3批次样品，这是第四批样品，相关研究有望为空间环境下材料制备与生长过程中的特点、规律与机理等探究提供一种重要手段。

“成功发射并不意味着

任务的完成，

只是新的开始。”

据刘学超介绍，与我国以往的空间材料实验装置相比，高温材料柜在加热温度、样品尺寸、温场模式、外部调控、精密生长、实时观察等功能方面都有了较大发展和提高，有效拓展了空间微重力材料研究的深度和广度，将长期在空间站为材料的微重力研究提供支持。由于功能的升级和拓展，高温材料柜能够支持的材料研究将涵盖功能晶体、高温合金、新型金属合金、半导体材料、特种玻璃、纳米材料、生物材料等众多材料，将促进微重力下材料的成分、结构、性能的调控及其机理的研究，对我国突破“卡脖子”材料中的关键科学和技术问题具有重要意义。

“成功发射并不意味着任务的完成，只是新的开始。”高温材料柜策划未来将在轨运行10年甚至15年，作为研发团队，将保障其在轨运营的每一天的平稳运行。

而对于材料科学的研究者来说，太空实验也同样只是漫长研究中的一个组成部分，刘学超将材料的太空实验称为“台上一分钟”，而地面实验则是“台下十年功”。绝大部分工作是在地面上的，只有在地面上进行大量的充分的匹配实验工作，才能保障在天上仅有的实验机会中获得成功。

“1992年，中国载人航天工程立项的时候，我才10岁。” 如今已迈入不惑之年的刘学超感慨万分，“这8年的历程，一步一个脚印，脚踏实地，研制的过程中有泪水有汗水，但更多的是喜悦和欢乐。”

“载人航天的工程任务是一次洗礼，我觉得只有经历了，才能真正的体会到载人航天精神。”刘学超说道。

科学探索之路如银河般浩渺，更新一代的科学技术永远在路上。据刘学超透露，目前，新一代空间材料科学实验装置正在论证中，该系统将利用激光加热，实现材料制备最高工作温度2200度以上，与空间现有的材料实验装置形成互补，将满足未来空间材料科学对超高温度、精确控制、更多外场的实验需求。

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