甘晓,杨曦

魏炳波院士:杰青项目开启空间材料科学新纪元
2024-06-25 10:19
来源:中国科学报

 

魏炳波   受访者供图

不久前,我国“太空家园”传来好消息,中国空间站天和核心舱已在轨稳定运行3年。

我国首个空间材料科学实验室的创建者、中国科学院院士魏炳波欣慰地看到,3年来,天和核心舱内的“无容器材料实验柜”获得大量微重力环境下无容器材料实验的关键科学数据,有望为探索新材料提供指导。

“我们30多年来‘地面画龙、空间点睛’的梦想终于实现!”魏炳波表示。

长期以来,魏炳波带领科研团队从事金属材料凝固科学与技术和空间材料科学研究,自主设计研制了金属材料超常凝固实验系统,为探索金属材料在极端环境下的制备成形提供了强有力的实验手段,开创了我国空间材料科学新纪元。

1994年,魏炳波曾获首批国家杰出青年科学基金项目(以下简称杰青项目)资助。“我在杰青项目的申请过程中得到了高水平的学术锻炼,项目成功获批又给了我很大信心。”回首科研人生,他坦言,“在杰青项目支持下,我的创新能力得到进一步提高,成长为空间材料科学领域的学术带头人。”

创建地面的“太空”

1992年圣诞节,28岁的魏炳波结束在德国的合作研究,搭乘国际航班从瑞士苏黎世回到西安。他以教授的身份,重新走进母校西北工业大学的校园。

回到祖国,魏炳波继续致力于空间材料科学和快速凝固领域研究。几乎所有金属材料的加工制备过程都从凝固开始。人们将加热后熔融的金属冷却至熔点以下,使其从液态转变为固态。从液体到固体的相变过程直接关系到金属材料的结构、微观组织和最终性能,其中的重要参数之一 ——“过冷度”成为科学家关注的焦点。

例如,在正常情况下,炽热的铁水在1538摄氏度时开始凝固。而在一些特殊情况下,铁水可以在远低于正常凝固点的1300摄氏度保持液态,从而达到过冷状态。

魏炳波介绍,在过冷状态下,液体内部的原子或分子由于能量的降低和结构的重新排列,为后续的快速凝固过程创造了条件。

“无容器”状态是科学家研究过冷梦寐以求的实验手段——让熔融的金属材料成为液滴飘浮在空中,不和容器壁接触,在较低温度下不凝固,仍然保持液体状态。太空的微重力环境则为实现“无容器”状态提供了绝佳条件。

随着我国启动载人航天工程,魏炳波回国后不久就参与其中,旨在为载人飞船上搭载相关载荷开展预先研究。他一心想创建一个地面的“太空”,为的是在地面模拟出太空微重力下的“无容器”效果,开展空间材料实验。

1994年,魏炳波得知国家杰出青年科学基金设立的好消息后,以“空间材料科学研究”为题提交了申请书。这让他成为国内较早提出“空间材料科学”新概念的学者之一。

答辩遇到两个难题

要在地面上让熔融金属的液滴飘起来实现“无容器”,就需要利用某种外力抵消液滴自身的重力。申请杰青项目时,魏炳波提出了3个研究目标,计划采用3种不同的方式抵消重力。

“首先做电磁悬浮,计划在地面上做一些预演,模拟未来空间站的情况。”魏炳波回忆,“第二个目标是做超声悬浮,与电磁悬浮形成互补;第三个目标是用熔体浸浮的方式做公斤级的大体积样品。”

当年杰青项目的答辩会上,魏炳波面对众多国际知名的材料与工程专家,条理清晰又语气坚定地阐述了上述研究目标。话音刚落,评委们就提出了一个难题:“杰青项目给你60万元经费,你能完成这三方面的研究吗?”

“当时我是个‘愣头儿青’,没有经济头脑,觉得可以做完。”魏炳波回忆。评委则建议他在经费有限的情况下,专注把电磁悬浮研究做好。

答辩接近尾声时,一位资深冶金学家又提出一个犀利的问题:“你使用玻璃熔体处理金属材料时,如何避免它们之间的反应?”这个问题让魏炳波一时语塞。

最后,评委们向魏炳波提出了一些建议,并希望他认真考虑。“我当时很年轻,才30岁,通过那次答辩认识到知识面太窄,只懂得自己研究领域内的一点点东西,专家的建议让我获益匪浅。”如今,魏炳波对当时的情景仍然记忆犹新。

他感慨道:“申请杰青项目的过程对我来说是一种锻炼。评委们的高标准、严要求不仅是对我能力的考验,也为我提供了成长的机会。”

交出漂亮成绩单

获批杰青项目后,一位老前辈鼓励魏炳波:“希望你在实验室里带着学生好好干,4年后交出一份合格的答卷。”

一开始,困难远超想象。“之前在国外都是用人家已经有的实验装备,没想到自己设计一台新型仪器会面临那么多困难。”魏炳波说。

在几乎没有经验的情况下,魏炳波带领科研团队全身心投入先进实验仪器的研发中。认识他的人都说他是个“工作狂”。如果想找魏炳波,只要到实验室,准能看到他的身影。

魏炳波团队克服重重困难,终于实现了杰青项目申请书的研究目标——电磁悬浮快速凝固仪器问世。这是中国第一台、也是世界第三台同类仪器。

杰青项目结题时,魏炳波心怀忐忑地交上了这份答卷,不知道能不能及格。“杰青项目总结会上,我都快掉眼泪了。第一批杰青项目获得者中,有人交上来50篇甚至100篇论文,而我只发表了10篇。”他说,“同时交了一台自主设计的新型仪器。”

“我们充分肯定你的工作。”专家组组长拍了拍魏炳波的肩膀说。当时,国家自然科学基金尚未单独设立资助科研仪器研发的项目。专家组详细研讨后,认为魏炳波完成了一项原创研究,研发出的仪器拥有全部知识产权,各项指标都达到世界一流水平,能够视为一种特殊形式的基础研究成果。

魏炳波深刻感受到,要把论文写在祖国大地上。他认为,这句话不应狭义地理解为用中文写论文并发表在中国人创办的刊物上,而应理解为坚持目标导向和自由探索“两条腿走路”,把世界科技前沿同国家重大战略需求和经济社会发展目标结合起来。

魏炳波在执行杰青项目过程中学术能力得到极大提高。“杰青项目是我强有力的助推剂。”他强调。

对于从2024年起开展杰青项目结题分级评价及延续资助工作,魏炳波表示:“这是力度前所未有的改革举措,强化了杰青项目的全流程管理。”前不久,他刚刚参加了今年的杰青项目结题答辩会,13位杰青项目获得者中有1位执行情况差。

“我们希望青年学者通过四五年的研究,认真做科学,成长为领域内的学术带头人。”魏炳波表示。

梦圆空间站

以杰青项目为起点,魏炳波带领科研团队在空间材料科学研究之路上越走越远。他们建立了金属材料超常凝固实验系统,自主研制了电磁悬浮、超声悬浮、静电悬浮、气动悬浮、熔体浸浮和自由落体等6种实验设备,并都达到国际先进或者领先水平。

随着我国载人航天工程的深入推进,这些成果已经应用于空间应用系统。

2022年3月,无容器材料实验柜在“天宫课堂”第二课上公开向全球展示。课堂上,神舟十三号乘组航天员王亚平展示了锆金属熔化与凝固实验。一颗金属小球悬浮在实验腔体中,经过悬浮控制、激光加热、测量物性、再辉、样品冷却凝固、回收等环节后,实验完成。

当年的空间材料科学梦已经在中国空间站上变成现实,魏炳波倍感骄傲。他说:“我们已经用中国自己的空间站做了400多个不同材料实验样品的实验,使金属材料在转型升级上迈出更大一步。”

面向未来,魏炳波表示,将继续带领团队开展空间材料科学研究,满足载人航天工程在空间应用与科学领域的国家重大需求。与此同时,他们在生物医学用金属材料领域开展有益尝试,希望为人民生命健康作出贡献。

过去8年,魏炳波团队与医学领域专家合作,探索超常调制的特种金属材料在人工关节等人体植入物中的潜在应用。“我们期待能够尽快在骨科临床上开展应用。”魏炳波表示。

(作者杨曦单位:国家自然科学基金委员会科学传播与成果转化中心)

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