近日，中國科學院新疆理化技術研究所（以下簡稱“新疆理化所”）發(fā)布了一項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，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，建設火星基地。相關研究論文于日前發(fā)表于國際期刊《交叉科學》。
“可以暢想一下，在未來，由火星壤制成的高強度纖維，與同樣取自火星的土壤基體相結合形成復合材料。利用3D打印等技術，復合材料被打造成各種建筑模塊，最終用于建造一個適應人類生存的火星基地?！毙陆砘芯繂T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，隨著航天技術的突飛猛進，人類登陸火星似乎不再遙遠，火星基地建設也因此成為國內外相關領域的研究熱點。
新疆理化所博士研究生郭澤世介紹，鑒于高昂的太空運輸成本，將建筑材料從地球運往火星幾乎是一項不可能完成的任務。因此，未來建設火星基地，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，新疆理化所研究團隊將目光投向深空領域，通過與中國科學院地球化學研究所、香港中文大學（深圳）等單位合作，以火星基地建設中對高性能增強體材料的需求為出發(fā)點，探究利用火星壤制備連續(xù)纖維并將其用于建設火星基地的可行性。
“雖然目前人類尚未獲得火星壤實物，但地球上廣泛存在的玄武巖在化學成分、礦物相組成上，都與火星壤十分相似?！瘪R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具有制備成纖維的可能性。
技術提供支撐
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構，在我國廣泛分布。長期以來，因其堅硬、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?！瘪R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，是我國重點發(fā)展的四大高性能纖維之一。
數(shù)十年來，馬鵬程帶領科研團隊在玄武巖分布數(shù)據(jù)平臺搭建、玄武巖熔體成纖技術、浸潤劑配方設計與優(yōu)化等領域持續(xù)探索。這為研究火星壤纖維提供了理論和技術支撐。
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行了基礎熱物性分析，并通過人工智能技術模擬出理論熔融溫度。實驗結果顯示，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構和較好力學性能，更容易抵抗外界破壞。而隨著成纖速度提高，纖維的拉伸強度和拉伸模量呈下降趨勢。
郭澤世介紹，團隊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火星基地的理想建材。
“不過，纖維并不能單獨作為建材，它就好比鋼筋結構，必須與混凝土等基體有機融合。”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，進而制作成建筑材料，再通過3D技術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化為相對穩(wěn)定的固體材料。這種材料單獨使用時強度不高，但以此為基體，加入火星壤纖維，就能形成高強度的增強復合材料。
據(jù)了解，我國天問三號任務計劃在2028年前后實施兩次發(fā)射任務，實現(xiàn)火星樣品返回地球?！拔覀兊哪繕耸切浅酱蠛＃@個消息讓我們團隊非常興奮，也讓我們看到火星壤研究的廣闊前景?！瘪R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的生產(chǎn)工藝和設備進行再創(chuàng)新。從理論到實踐，還有漫長的一段路要走。
要實現(xiàn)在火星上“造房子”的夢想尚需時日，但相關研究成果已展現(xiàn)出巨大應用潛力。馬鵬程帶領的科研團隊，近年來持續(xù)挖掘玄武巖纖維潛力，不斷拓寬應用領域。例如，將玄武巖纖維和高分子基體結合起來，通過特定工藝制得的纖維增強復合材料強度高，可以用來制造坦克、艦船、飛機的外殼。
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電的纖維，長期以來被視為絕緣材料。不過，科研團隊利用玄武巖纖維本身含有的金屬元素，實現(xiàn)了碳納米材料在纖維表面的可控生長，成功獲得了導電纖維材料，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域的應用前景。
玄武巖纖維還有望在氣體凈化領域大展身手?？蒲袌F隊將玄武巖纖維與納米纖維素纖維進行復合，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，該復合纖維濾材具有優(yōu)異的機械強度、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。（梁 樂）
（責任編輯：蔡文斌）
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