近日，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所（以下簡稱“新疆理化所”）發(fā)布了一項(xiàng)引人注目的研究成果：科研人員以地球玄武巖為原料模擬火星壤，并通過熔融拉絲技術(shù)，將其制備成連續(xù)模擬火星壤纖維。這意味著未來人類有望就地取材，建設(shè)火星基地。相關(guān)研究論文于日前發(fā)表于國際期刊《交叉科學(xué)》。
“可以暢想一下，在未來，由火星壤制成的高強(qiáng)度纖維，與同樣取自火星的土壤基體相結(jié)合形成復(fù)合材料。利用3D打印等技術(shù)，復(fù)合材料被打造成各種建筑模塊，最終用于建造一個適應(yīng)人類生存的火星基地。”新疆理化所研究員馬鵬程接受科技日報記者采訪時展望。
理論研究先行
火星距離地球最遠(yuǎn)時有4億公里，最近時大約5500萬公里。即便遙不可及，但人類對移居火星的憧憬與探索卻從未停歇。近年來，隨著航天技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人類登陸火星似乎不再遙遠(yuǎn)，火星基地建設(shè)也因此成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
新疆理化所博士研究生郭澤世介紹，鑒于高昂的太空運(yùn)輸成本，將建筑材料從地球運(yùn)往火星幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。因此，未來建設(shè)火星基地，必須就地取材。在這方面，國際上已有一些研究。例如，有研究認(rèn)為，可利用火星壤制成磚或混凝土等各種建筑材料。不過目前人類還未取得火星壤，因此大部分研究都只能停留在理論層面。
2019年起，新疆理化所研究團(tuán)隊(duì)將目光投向深空領(lǐng)域，通過與中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所、香港中文大學(xué)（深圳）等單位合作，以火星基地建設(shè)中對高性能增強(qiáng)體材料的需求為出發(fā)點(diǎn)，探究利用火星壤制備連續(xù)纖維并將其用于建設(shè)火星基地的可行性。
“雖然目前人類尚未獲得火星壤實(shí)物，但地球上廣泛存在的玄武巖在化學(xué)成分、礦物相組成上，都與火星壤十分相似。”馬鵬程說，如果玄武巖能通過熔融拉絲形成纖維，那么成分相近的火星壤也應(yīng)具有制備成纖維的可能性。
技術(shù)提供支撐
玄武巖是火山噴發(fā)出的巖漿在地表冷卻后凝固而成的一種巖石，具有致密狀或泡沫狀結(jié)構(gòu)，在我國廣泛分布。長期以來，因其堅(jiān)硬、耐腐蝕，玄武巖通常被用作鋪路石。
“別看這石頭又黑又硬，如果把它制成纖維，就能身價倍增。”馬鵬程介紹，玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)過礦石粉碎、熔融、拉絲和涂覆浸潤劑后制成的絲狀材料，是我國重點(diǎn)發(fā)展的四大高性能纖維之一。
數(shù)十年來，馬鵬程帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在玄武巖分布數(shù)據(jù)平臺搭建、玄武巖熔體成纖技術(shù)、浸潤劑配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化等領(lǐng)域持續(xù)探索。這為研究火星壤纖維提供了理論和技術(shù)支撐。
通常情況下，大部分玄武巖在被粉碎成粉末后，經(jīng)過1450攝氏度的高溫加熱會完全熔化成液態(tài)，再通過拉絲冷卻，最終形成纖維?？蒲腥藛T對以玄武巖為原料制備的模擬火星壤進(jìn)行了基礎(chǔ)熱物性分析，并通過人工智能技術(shù)模擬出理論熔融溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模擬火星壤在1360攝氏度時可完全熔融，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，接著在重力作用下通過鉑—銠合金拉絲漏板，再經(jīng)機(jī)器高速拉制，形成連續(xù)纖維。
采用這種熔融—牽引法，科研人員在不同成纖速度下獲得了連續(xù)模擬火星壤纖維。進(jìn)一步分析后，科研人員發(fā)現(xiàn)，在較低成纖速度下制備的模擬火星壤纖維具有更致密的原子結(jié)構(gòu)和較好力學(xué)性能，更容易抵抗外界破壞。而隨著成纖速度提高，纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量呈下降趨勢。
郭澤世介紹，團(tuán)隊(duì)成員還從理論上分析了火星低重力、特殊大氣等環(huán)境條件對纖維成纖過程及性能的影響。
應(yīng)用潛力巨大
單根模擬火星壤纖維的直徑僅為頭發(fā)絲的三分之一，但強(qiáng)度卻是同等直徑鋼纖維的兩倍，且具有耐腐蝕、耐極端溫度等特性。這意味著火星壤纖維能成為建設(shè)火星基地的理想建材。
“不過，纖維并不能單獨(dú)作為建材，它就好比鋼筋結(jié)構(gòu)，必須與混凝土等基體有機(jī)融合。”馬鵬程介紹，將多根火星壤纖維合并成一股后，可將其浸入浸潤槽與基體融合，進(jìn)而制作成建筑材料，再通過3D技術(shù)打印出特定形狀的建筑部件。
郭澤世說，在火星，基體制備也可實(shí)現(xiàn)就地取材。通過添加黏合劑或施加高壓，可將松散的火星壤轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的固體材料。這種材料單獨(dú)使用時強(qiáng)度不高，但以此為基體，加入火星壤纖維，就能形成高強(qiáng)度的增強(qiáng)復(fù)合材料。
據(jù)了解，我國天問三號任務(wù)計(jì)劃在2028年前后實(shí)施兩次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星樣品返回地球。“我們的目標(biāo)是星辰大海，這個消息讓我們團(tuán)隊(duì)非常興奮，也讓我們看到火星壤研究的廣闊前景。”馬鵬程說，火星重力、大氣等環(huán)境條件與地球相差很大，這要求科研人員對相應(yīng)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備進(jìn)行再創(chuàng)新。從理論到實(shí)踐，還有漫長的一段路要走。
要實(shí)現(xiàn)在火星上“造房子”的夢想尚需時日，但相關(guān)研究成果已展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。馬鵬程帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，近年來持續(xù)挖掘玄武巖纖維潛力，不斷拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。例如，將玄武巖纖維和高分子基體結(jié)合起來，通過特定工藝制得的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度高，可以用來制造坦克、艦船、飛機(jī)的外殼。
新疆理化所副研究員邢丹介紹，玄武巖纖維本身是一種不導(dǎo)電的纖維，長期以來被視為絕緣材料。不過，科研團(tuán)隊(duì)利用玄武巖纖維本身含有的金屬元素，實(shí)現(xiàn)了碳納米材料在纖維表面的可控生長，成功獲得了導(dǎo)電纖維材料，增加了玄武巖纖維的功能價值、拓展了材料在電磁屏蔽等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
玄武巖纖維還有望在氣體凈化領(lǐng)域大展身手?？蒲袌F(tuán)隊(duì)將玄武巖纖維與納米纖維素纖維進(jìn)行復(fù)合，成功研發(fā)出一種環(huán)保型高效PM0.3空氣過濾材料。該材料的PM0.3初始過濾效率超99.99%，綜合過濾能力優(yōu)于部分商業(yè)化的高效空氣過濾材料。此外，該復(fù)合纖維濾材具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫和耐火性能，經(jīng)180攝氏度高溫處理后，對PM0.3的過濾效率仍可保持在92%以上。
近日，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所（以下簡稱“新疆理化所”）發(fā)布了一項(xiàng)引人注目的研究成果：科研人員以地球玄武巖為原料模擬火星壤，并通過熔融拉絲技術(shù)，將其制備成連續(xù)模擬火星壤纖維。這意味著未來人類有望就地取材，建設(shè)火星基地。相關(guān)研究論文于日前發(fā)表于國際期刊《交叉科學(xué)》。
“可以暢想一下，在未來，由火星壤制成的高強(qiáng)度纖維，與同樣取自火星的土壤基體相結(jié)合形成復(fù)合材料。利用3D打印等技術(shù)，復(fù)合材料被打造成各種建筑模塊，最終用于建造一個適應(yīng)人類生存的火星基地。”新疆理化所研究員馬鵬程接受科技日報記者采訪時展望。
理論研究先行
火星距離地球最遠(yuǎn)時有4億公里，最近時大約5500萬公里。即便遙不可及，但人類對移居火星的憧憬與探索卻從未停歇。近年來，隨著航天技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人類登陸火星似乎不再遙遠(yuǎn)，火星基地建設(shè)也因此成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
新疆理化所博士研究生郭澤世介紹，鑒于高昂的太空運(yùn)輸成本，將建筑材料從地球運(yùn)往火星幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。因此，未來建設(shè)火星基地，必須就地取材。在這方面，國際上已有一些研究。例如，有研究認(rèn)為，可利用火星壤制成磚或混凝土等各種建筑材料。不過目前人類還未取得火星壤，因此大部分研究都只能停留在理論層面。
2019年起，新疆理化所研究團(tuán)隊(duì)將目光投向深空領(lǐng)域，通過與中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所、香港中文大學(xué)（深圳）等單位合作，以火星基地建設(shè)中對高性能增強(qiáng)體材料的需求為出發(fā)點(diǎn)，探究利用火星壤制備連續(xù)纖維并將其用于建設(shè)火星基地的可行性。
“雖然目前人類尚未獲得火星壤實(shí)物，但地球上廣泛存在的玄武巖在化學(xué)成分、礦物相組成上，都與火星壤十分相似。”馬鵬程說，如果玄武巖能通過熔融拉絲形成纖維，那么成分相近的火星壤也應(yīng)具有制備成纖維的可能性。
技術(shù)提供支撐
玄武巖是火山噴發(fā)出的巖漿在地表冷卻后凝固而成的一種巖石，具有致密狀或泡沫狀結(jié)構(gòu)，在我國廣泛分布。長期以來，因其堅(jiān)硬、耐腐蝕，玄武巖通常被用作鋪路石。
“別看這石頭又黑又硬，如果把它制成纖維，就能身價倍增。”馬鵬程介紹，玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)過礦石粉碎、熔融、拉絲和涂覆浸潤劑后制成的絲狀材料，是我國重點(diǎn)發(fā)展的四大高性能纖維之一。
數(shù)十年來，馬鵬程帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在玄武巖分布數(shù)據(jù)平臺搭建、玄武巖熔體成纖技術(shù)、浸潤劑配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化等領(lǐng)域持續(xù)探索。這為研究火星壤纖維提供了理論和技術(shù)支撐。
通常情況下，大部分玄武巖在被粉碎成粉末后，經(jīng)過1450攝氏度的高溫加熱會完全熔化成液態(tài)，再通過拉絲冷卻，最終形成纖維。科研人員對以玄武巖為原料制備的模擬火星壤進(jìn)行了基礎(chǔ)熱物性分析，并通過人工智能技術(shù)模擬出理論熔融溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模擬火星壤在1360攝氏度時可完全熔融，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，接著在重力作用下通過鉑—銠合金拉絲漏板，再經(jīng)機(jī)器高速拉制，形成連續(xù)纖維。
采用這種熔融—牽引法，科研人員在不同成纖速度下獲得了連續(xù)模擬火星壤纖維。進(jìn)一步分析后，科研人員發(fā)現(xiàn)，在較低成纖速度下制備的模擬火星壤纖維具有更致密的原子結(jié)構(gòu)和較好力學(xué)性能，更容易抵抗外界破壞。而隨著成纖速度提高，纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量呈下降趨勢。
郭澤世介紹，團(tuán)隊(duì)成員還從理論上分析了火星低重力、特殊大氣等環(huán)境條件對纖維成纖過程及性能的影響。
應(yīng)用潛力巨大
單根模擬火星壤纖維的直徑僅為頭發(fā)絲的三分之一，但強(qiáng)度卻是同等直徑鋼纖維的兩倍，且具有耐腐蝕、耐極端溫度等特性。這意味著火星壤纖維能成為建設(shè)火星基地的理想建材。
“不過，纖維并不能單獨(dú)作為建材，它就好比鋼筋結(jié)構(gòu)，必須與混凝土等基體有機(jī)融合。”馬鵬程介紹，將多根火星壤纖維合并成一股后，可將其浸入浸潤槽與基體融合，進(jìn)而制作成建筑材料，再通過3D技術(shù)打印出特定形狀的建筑部件。
郭澤世說，在火星，基體制備也可實(shí)現(xiàn)就地取材。通過添加黏合劑或施加高壓，可將松散的火星壤轉(zhuǎn)化為相對穩(wěn)定的固體材料。這種材料單獨(dú)使用時強(qiáng)度不高，但以此為基體，加入火星壤纖維，就能形成高強(qiáng)度的增強(qiáng)復(fù)合材料。
據(jù)了解，我國天問三號任務(wù)計(jì)劃在2028年前后實(shí)施兩次發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)火星樣品返回地球。“我們的目標(biāo)是星辰大海，這個消息讓我們團(tuán)隊(duì)非常興奮，也讓我們看到火星壤研究的廣闊前景。”馬鵬程說，火星重力、大氣等環(huán)境條件與地球相差很大，這要求科研人員對相應(yīng)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備進(jìn)行再創(chuàng)新。從理論到實(shí)踐，還有漫長的一段路要走。
要實(shí)現(xiàn)在火星上“造房子”的夢想尚需時日，但相關(guān)研究成果已展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。馬鵬程帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，近年來持續(xù)挖掘玄武巖纖維潛力，不斷拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。例如，將玄武巖纖維和高分子基體結(jié)合起來，通過特定工藝制得的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度高，可以用來制造坦克、艦船、飛機(jī)的外殼。
新疆理化所副研究員邢丹介紹，玄武巖纖維本身是一種不導(dǎo)電的纖維，長期以來被視為絕緣材料。不過，科研團(tuán)隊(duì)利用玄武巖纖維本身含有的金屬元素，實(shí)現(xiàn)了碳納米材料在纖維表面的可控生長，成功獲得了導(dǎo)電纖維材料，增加了玄武巖纖維的功能價值、拓展了材料在電磁屏蔽等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
玄武巖纖維還有望在氣體凈化領(lǐng)域大展身手。科研團(tuán)隊(duì)將玄武巖纖維與納米纖維素纖維進(jìn)行復(fù)合，成功研發(fā)出一種環(huán)保型高效PM0.3空氣過濾材料。該材料的PM0.3初始過濾效率超99.99%，綜合過濾能力優(yōu)于部分商業(yè)化的高效空氣過濾材料。此外，該復(fù)合纖維濾材具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫和耐火性能，經(jīng)180攝氏度高溫處理后，對PM0.3的過濾效率仍可保持在92%以上。
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