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塑就地取材，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棺結(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合人類生存的火星基地?！毙陆砘芯繂T馬鵬程接受采訪時展望。

理論研究先行

火星距離地球最遠(yuǎn)時有4億千米，最近時約為5500萬千米。盡管遙不可及，但人類對移居火星的憧憬與探索從未停歇。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)，火星基地的建設(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—項不可能完成的任務(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，因此大部分研究仍停留在理論層面。

2019年起，新疆理化所研究團(tuán)隊將目光投向深空領(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?！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(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形成的—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，因其堅硬且耐腐蝕，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。實驗結(jié)果顯示，模擬火星壤在1360攘氏度時可完全熔融，從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，再經(jīng)機(jī)器高速拉制，可形成連續(xù)纖維。

采用這種熔融一牽引法，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。而隨著成纖速度的提高，纖維的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量（指材料在拉伸時的彈性）呈下降趨勢。

此外，科研團(tuán)隊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1／3，但強(qiáng)度卻是同等直徑鋼纖維的2倍，且具有耐腐蝕、耐極端溫度等特性。這意味著火星壤纖維有望成為建設(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。80ed1c73f76ca575317bb17772497888”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打印技術(shù)制作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(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)計劃在2028年前后實施兩次發(fā)射任務(wù)，實現(xiàn)火星樣品返回地球?！拔覀兊哪繕?biāo)是星辰大海，這個消息讓我們團(tuán)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(yīng)的生產(chǎn)工藝和設(shè)備進(jìn)行創(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(guān)研究成果已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。馬鵬程帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊，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，玄武巖纖維本身不導(dǎo)電，長期以來被視為絕緣材料。不過，科研團(tuán)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(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（可入肺顆粒物）空氣過濾材料。該材料的PM0.3初始過濾效率超過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。