无容器材料实验柜。 受访者供图

■本报记者 刘如楠

近日，神舟二十号航天员乘组搭乘神舟二十一号载人飞船返回东风着陆场。据了解，神舟二十号乘组在轨期间完成多项任务，包括高温材料实验柜实验样品更换、无容器柜实验腔体样品清理及更换等工作。

其中的无容器材料实验柜由我国自主设计，具有非常优异的性能。8月底，利用该实验柜，科学家成功把钨合金加热到超过3100℃，创造了新的世界纪录。何为“无容器”？它有哪些优势？如何在太空“炼丹”？未来将有哪些新应用？带着这些问题，《中国科学报》采访了相关领域专家。

何为“无容器”

研究材料的物理化学性质，加热、冷却是核心手段。科学家通常使用电阻炉进行加热，就像“烤红薯”一样，把样品材料放进炉膛，利用电流通过电阻材料产生热能，最高可以加热到1200℃至1600℃。

但这种加热方法有局限性，必须将样品材料放入容器内进行。这就意味着，容器的性质要比样品材料更稳定。不然，样品材料还没加热至熔点，盛它的容器就先熔化了。即便容器没有熔化，部分样品材料也可能附着在容器壁上，而容器壁会对实验过程形成干扰。

科学家想到了“无容器”的办法——通过“悬浮术”让熔融的金属或者非金属材料成为液滴，飘浮在空中。这时，液滴不会和容器壁接触而受到污染，“纯净”材料能在较低温度下不凝固，仍然保持液体状态。

但这又带来了新问题，即便悬浮着，地面的重力作用也会对样品材料形成影响。比如对合金材料加热时，不同物质受重力作用的影响不同，由此带来密度沉降、加热不均问题，往往会影响科学实验的结果。

大家都期待能到太空中做实验，最大程度地减少重力作用的影响。空间站的微重力环境让液态金属只受表面张力作用，自然收缩成完美球体，不易被外界干扰。

与此同时，中国空间站在紧锣密鼓地建设中。作为中国空间站科学实验的总体单位，中国科学院空间应用工程与技术中心于2014年开启实验柜的设计研制工作，为“天宫”量身打造了14个实验柜，无容器实验柜便是其中之一。

2022年12月31日，中国空间站全面建成，科学家的梦想成真。

“炼丹”三步走

无容器实验柜就像一个大衣柜，高1.8米、宽约1米。上部中心位置是核心的实验腔。围绕实验腔分布着激光加热、位置控制、释放回收、观察与测量、供电与真空、实验电控等功能部件。

要利用这个“太空炼丹炉”炼制“仙丹”，第一步是精准定位。

在太空中，脱离了重力的束缚，想让样品材料“乖乖听话”，要先通过样品释放系统让其精准运送到实验腔内，再通过静电悬浮术让其保持悬浮状态。

“进行加热、冷却等操作时，让样品材料稳定悬浮是个‘技术活’。有时升温过快，样品就‘溜走了’，这就需要逐步加热。因此，研究者要根据样品特性定制专属的升温、降温方案。”中国科学院空间应用工程与技术中心研究员、实验柜主任设计师张立宪介绍说。

第二步是“烈火”炙烤。

与太上老君用的六丁神火不同，在“太空炼丹炉”中，科学家用的是双激光加热法，即半导体激光和二氧化碳激光双管齐下。两种激光加热方法各有优势，半导体激光功率高、加热速度快、耗能高，二氧化碳激光功率低、耗能低。

“对于一些氧化物材料，低于1000℃时，对半导体激光吸收效果不好，就需要先用二氧化碳激光器加热；待其升至一定温度后，再用半导体激光器加热。”张立宪告诉《中国科学报》。

利用激光加热，除了“热得快”外，还有一大好处是“冷得快”。需要样品材料冷却凝固时，激光一停，立刻就能冷却下来，没有所谓的“余温”。同时，通过调整激光参数，可使温度控制更加精准，加热与冷却方式切换更加灵活。

第三步是原样回收。

“炼丹”完成后，实验柜的释放回收系统能够自动将实验样品回收到样品盒中储存。回收完成后，只需要航天员取出样品盒即可。待到样品盒返回地面后，再由相关领域的科学家继续研究。

创下世界纪录

8月底，科学家利用这一无容器材料实验柜，成功把钨合金加热到超过3100℃，创造了新的世界纪录。

金属钨是目前已知熔点最高的金属，熔点高达3422℃。由于具有超高熔点，钨及其合金能够在核聚变反应堆等极端环境下使用。长期以来，钨合金在超高温度下的物理化学性质研究一直是科学界的难题。

在空间站里利用无容器材料实验柜进行实验，可以让科学家在理想条件下，清晰观测金属材料在极端高温下的真实演化过程，比如钨合金熔化后怎么流动、冷却时怎么结晶。

西北工业大学教授胡亮介绍，在空间站做钨合金实验主要有两方面原因。一是空间站提供的微重力条件，可以使金属钨熔化后达到非常标准的球形状态，对于精确获取它的物理、化学性质非常有利。二是钨密度非常高，加上其他元素后，在地面上制备会出现重的沉下去、轻的漂上来的现象。如果在空间站制备钨合金，会达到组织和成分都高度均匀的状态，帮助提升材料性能。

这项工作不仅验证了我国自主设计的空间材料科学实验柜具有非常优异的性能，也积累了大量超高温材料在轨实验的原始数据，将为新型钨合金设计及其性能提升提供重要的理论依据。

未来，这项工作将帮助人们开发全新的耐高温材料。钨合金材料可能成为宇宙飞船的“铠甲”，抵御穿越大气层时的熊熊烈焰；也可能化作火箭发动机的“心脏”，在极端高温下保持稳定运转。