去中國空間站「旅行」回到地球的材料，會有什麼變化嗎？6月21日，解放日報·上觀新聞記者在中國科學院上海矽酸鹽研究所直擊了其被拆封的這一刻。
5根約30厘米長的陶瓷管在桌面一字排開，它們在中國空間站的高溫材料實驗櫃裡已經待了200餘天，6月4日隨神舟十五號載人飛船返回地面。
工作人員拆開了其中的「07」號管，這是來自上海矽酸鹽研究所的實驗樣品。8個白色陶瓷墊片被取出，為保護實驗樣品不碎裂，它們的功能相當於快遞里的「泡沫墊」。在眾人屏息的期待中，一根約10厘米長的石英透明玻璃管被取了出來。
劉學超拿著玻璃管。黃海華 攝
「長得非常不錯，出現了明顯的孔。」高溫材料科學實驗系統主任設計師、上海矽酸鹽所研究員劉學超拿起玻璃管，仔細端詳著。只見一部分銀色的銦硒半導體材料，緊貼著玻璃管壁「生長」，從外面可以清晰地看到它們的「孔洞」。
難以想像，這一材料以每小時1毫米的速度在微重力的空間「生長」著，並持續了80多個小時。「這是我們第一次在空間驗證這個材料。」劉學超說。
為何要讓材料去空間「旅行」？一起跟著解放日報·上觀新聞記者來解鎖新知識。
【這就像有了一個好的「藥引子」】
「畢竟8年『磨一劍』，我到現在都還很激動，有的團隊成員想到今天要接收實驗樣品，昨晚興奮地失眠了。」劉學超說。
中國空間站目前共有14個科學實驗櫃，其中有兩個材料科學實驗裝置，即「高溫材料實驗櫃」和「無容器實驗櫃」，其科學實驗系統都由上海矽酸鹽所牽頭研製。
空間站高溫材料櫃。受訪者供圖
空間站無容器材料櫃。受訪者供圖
為何要讓材料去空間「旅行」？劉學超舉了一個例子：單晶矽一直難以突破「大尺寸」瓶頸，國外科學家正是通過空間實驗，有了一個重要發現，關鍵要精準控制其「生長」的界面。如今，單晶矽已經可以在地面「生長」到一米多長。「在微重力的空間，更便於測量材料的各種參數，通過研究其空間機理，反過來可以指導在地面的研究，這對我國突破『卡脖子』的關鍵科學和技術問題具有重要意義。」
晶體要「生長」，需要好的晶體「種子」，但在地面往往很難製備。科學家發現，在太空中「生長」的晶體，相比在地面，其缺陷密度要低兩個數量級。「如果在太空先培育一個好的『胚芽』，再拿到地面去『生長』，這就像有了一個好的『藥引子』，後續的『生長』態勢就會比較好。」劉學超說。
高溫材料實驗櫃可在微重力下支持材料的高溫加熱、定向凝固、快速冷卻、實時測量等功能，是我國最新一代的空間材料實驗裝置之一。兩個高溫爐的最高加熱溫度分別為1200℃和1600℃，單批次加熱樣品數量達到16支，均處於國際領先水平；X射線透射成像，是國際上首次在載人空間站開展，可實時觀察樣品加熱和凝固過程。
【究竟什麼是「無容器」】
此次一同從空間站返回地面的，還有「無容器實驗櫃」的第四批樣品。究竟什麼是「無容器」？
材料一般都裝在一個容器里，但容器往往會帶來污染，同時容器壁對材料產生的壓力也會導致製備過程中的受力不均。如果不和容器發生反應，可以得到更高純度和更均勻的材料。能否不要容器，而用其他外力讓它在空間浮起來？
這聽上去有些「異想天開」，但它最終得以實現。作為國內首個、國際上第二台在軌運行的「無容器」實驗設施，「無容器實驗櫃」2021年4月29日隨空間站核心艙發射上天，至今已穩定運行700餘天，最高加熱溫度3000℃，達到國際領先水平。
「無容器」如何實現？「好比發射一顆炮彈，先把它裝在彈匣里，到了空間再把它釋放出去，讓其飄浮在空中，實驗結束再把它回收到彈匣里。」無容器材料科學實驗系統主任設計師、上海矽酸鹽所研究員余建定告訴解放日報·上觀新聞記者。
余建定拿著無容器材料樣品盒。黃海華 攝
據介紹，「無容器實驗櫃」已取得大量在地面上難以獲得的關鍵科學數據。一方面，可為探索有應用前景的新金屬材料提供指導，比如飛機發動機葉片；另一方面，也有助於探索行星演化規律和地球環境變化起源。
題圖來源：5根約30厘米長的陶瓷管。黃海華 攝
文中視頻由黃海華採制
來源：作者：黃海華