材料科学与工程虚拟博物馆

载人神州五号的成功发射在很大程度上提高了我国的国际地位。中国发射的神州五号太空船，是个“价值增效器”，它让每一枚中国导弹都更具威胁，让每一部中国出口的电视机更有价值，让每一份中国科学家和工程师所发表的论文更具信誉。

很难设想，如果没有资源，人类将怎样生存和发展。人类进入了地球轨道和外层空间，对许多未知的领域的认识产生了飞跃，资源已由最初的具有某种性态，扩展为某种环境和条件。在太空运行的航天器中的物体，既受到地球引力的作用，又爱到惯性离心力的作用，这受两种力达到平衡，等效于重力消失，只受到其它微小干扰力的作用，而处于微重力状态，物体的重量，只有地面的十万分之一或百万分之一，悬浮空中漂浮不定。空气、水受热后，不会处于上下对流的情况，液体也没有固定的水平面。比重不同的液体，可和平共处。这种奇特环境，对新材料加工、微生物、细胞、蛋白质晶体的生长与培养是十分有利的，它将使微生物发生遗传变异，其结果不仅尺寸大小发生变化，而且纯度也高。外部空间不容置疑的是人类赖以生存和发展的“富矿”。

微重力科学

微重力科学就是研究微小重力环境中物质运动规律的科学。地球表面以外的物体受到地球重力与该物体距地心距离的平方成反比。地球半径，距地球表面h处的重力g与地球表面重力g0之比是该系统失重状态的特征量。严格来说，空间微重力生长实验环境条件应满足：g/g0=10-6。然而，目前人们更感兴趣的空间微重力实验环境是限于靠近地球的空间，因而将微重力概念拓延，把g/g0=10-2的重力环境看作是空间微重力环境。例如，月球上的失重状态特征是g/g0=0.16，火星上的g/g0=0.30。在微重力环境中，许多在地面被地球重力效应所掩盖的“次级效应”变成了主要过程因素，控制了微重力环境的过程。诸多挑战性问题促进了微重力科学的发展。

材料科学所期待的微重力效应，一些地面上出现的现象，例如对流，静水压，沉淀等都将消失，人们将面对着微重力环境下的新的物理世界。同时，利用微重力环境亦可大规模制造高质量的单晶材料，可以预见微重力环境为探索科学新领域和开拓高新技术提供了新的手段。

空间材料学

空间材料学是微重力科学的一个分支，它根据材料的物理化学性质、加工性能和应用性能依赖于环境的变化而变化的特性，把材料放到具有“微重力，无容器，超高真空”的环境中去生成与研究，是未来航天技术中举足轻重的基础学科，而且还可以为新型结构与功能材料的合成与开发开辟广阔前景，因此又被称为21世纪最富有经济效益和技术效益的学科之一。

研究人员曾经在“神州三号”卫星上曾经搭载过一套熔体晶体生长实时观察的装置，进行氧化物材料晶体生长的科学实验，从卫星传回来了一些珍贵的实验数据和图片，并对比空间与地面的实验结果。一方面验证了我们的实验设计，另一方面也不断的指导着我们下一步的工作。

熔体晶体生长由于生长温度高（1000℃以上），所以传统方法制备晶体是不能够进行晶体生长形貌的观察的，只有通过对长出的晶体的形貌进行分析才能推断晶体生长过程中的生长条件是否合适，进一步推断晶体生长的机理。这个装置能够在晶体生长过程中实时观察它的生长情况，使得晶体生长机制形象化，这可以称为晶体生长机理研究方面的一次革命。

晶体生长是母相（熔液相）与新相（晶相）界面上进行的一种非均匀相变过程。母相里的分子和它的集团，通过流体效应被吸附到新相的界面上，形成新相的生长核，由于新相化学势能低，母相的分子不断聚集到生长核上，形成了所称的界面台阶，这样台阶在界面上扩大，新相逐渐长大。这就是晶体生长纳米量级的微观过程。空间晶体生长过程的实时观察装置，如图1。

如图2，空间环境下，溶质的流动是以扩散为主，其扩散区在100～200μm范围内。

高温熔体里的表面张力效应

当溶液两端存在着表面张力梯度时，溶液由低表面张力区向高表面张力区流动，形成了表面张力对流。在微重力条件下，由于重力作用消失，表面张力对流成为流体运动的又一重要特征。高温下表面张力对流究竟是怎样的呢？过去由于重力作用和观测手段的限制，很难观察到高温下表面张力对流运动的形态。在这次空间实验中，我们首次观察到氧化物高温溶质的表面张力对流图像如图3。在表面张力梯度的作用下，微晶以抛物线形的形态，由中心区流向坩埚边缘。

我国空间材料学的发展

与美国、前苏联和欧洲空间局国家相比，我国的微重力晶体生长和材料科学起步慢，总体来说与国外先进国家有一定差距。“七五”期间已经有了一个好的开端。在国家高技术发展计划和中国科学院得到支持下，中国科学院所属的若干研究院和高等院校的一些专业已经初步形成一支研究队伍。“八五”和“九五”计划期间，空间晶体生长和材料已经作为微重力科学研究的组成部分，在国家高技术发展计划重作了安排。微重力的晶体生长研究对于科学家来说都还是一个开端，一个初步取得某些有限成果的新领域。由于空间晶体生长的机会稀少，耗资巨大，我国在本领域的科学研究大都集中在地面模拟实验的方面，空间材料学的研究更需要通过航天方面的科技创新来推动。