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晶体光子胶体“潜力股”光子晶体牵出“遥科学”大未来

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中科院物理研究所研究员李明是个“幸运儿”,他所负责的空间复合胶体晶体生长实验,是天宫一号里唯一的一项空间科学实验。

此刻,李明在北京大后方进行紧张的工作;在酒泉卫星发射中心前线,中科院物理所副所长、载人航天工程空间应用系统空间材料科学分系统指挥冯稷接受了《科学时报》的专访。

“潜力股”光子晶体

这项由中科院物理所和中科院空间中心合作承担的、由中科院内外多家单位参与的实验在实验设备体量上虽不及其他的一些“大家伙”,但从未来发展的前景来看,复合胶体晶体生长实验或能四两拨千斤。

晶体是材料中的一大类,最常见的就是半导体,如硅。电子在传输的时候,会受到一定限制,这是由晶体本身的能带结构决定的。由此产生了晶体管,进而产生了集成电路,影响到我们今天社会生活的方方面面。

而光子晶体也有类似的现象。如受光子带隙的影响,不同能量的光子在光子晶体中传输时会有不同的传输路径,利用这一点,人们或可以实现光的开关,进而可研制光的逻辑器件。因此,光子晶体是未来光信息处理的一种潜在的、很重要的材料。

这次天宫一号上要进行的胶体晶体实验即是以一种光子晶体为研究对象而设计的。目前在国际上,胶体晶体在自组装材料领域受到广泛关注。但由于重力的作用,光子晶体在地面的实验研究受到限制。

“当复合胶体晶体由两种不同粒径的颗粒组成时,因大小不同的颗粒受重力影响不同,人们很难观察到它们固有的结晶规律。”

于是,科学家们把目光瞄向了空间飞行器可提供的微重力环境。就已公开报道的情况而言,到目前为止,该类实验在全世界只进行过几次,包括抛物线飞机,且以单粒径实验为主。“我们与已有实验有很大不同,主要体现在有两种不同粒径及相应形核条件上。所以这次复合胶体晶体生长的空间实验是有一定代表性的。”

对物理学家来说,复合胶体晶体实验还提供了一个较为纯粹和可控的物理模型,供他们研究分子体系的一些基本物理规律。“因此从基础研究讲,光子晶体是一个绝佳的研究对象;从应用角度讲,它或将可以制作成性能优良的光子器件。”

给科学家自由探索的机会

冯稷深知,科学有其不确定性和不可预见性,尤其是光子晶体这样极具前沿性的研究,虽然在未来的潜力很大,但毕竟不能取得立竿见影的应用。

在中国载人航天事业各方面资源都还很紧张的情况下,复合胶体晶体实验凭什么能上天?

关于这件事,专家们也一直在反复论证。在系统研制阶段,中科院空间科学与应用总体部对空间科学实验有一次中期评估,其目的之一就是考查实验项目是否仍具有先进性。“载人航天任务周期很长,可能在中间过程中,别人已经把结果做出来了。只有真正的前瞻性问题,才能带上天。”

专家们还要同时考虑天宫一号两年在轨时间、地面是否可控、样品是否可以反复使用等等一系列因素。

最大限度地满足条件后,光子晶体实验才被敲定。

“科学研究的未知性如何跟载人航天工程很好地协调起来,这不是一件容易的事。很感谢国家和总体部给了我们自由探索的机会。”

冯稷自己也很赞同专家们的“谨小慎微”。“我国载人航天空间科学实验的渐进式发展模式,一方面是对技术的积累,另一方面也是队伍的培养,现在走这种有计划、有安排、循序渐进的道路,将来等我们有了自己的空间站,就有了较好的基础,空间科学实验不至于从零开始。”

“其实这些年下来,神舟系列飞船已经逐渐把空间科学几个重要的领域都涵盖了,重要的研究方向和热点也都包括进来了。虽然我们在实验规模上与国外还有一定差距,但我们现在的战略和布局是合理的。”

“遥科学”是大势所趋

冯稷最早参与航天工程空间科学实验是在上世纪90年代初,那时候通过返回式卫星搭载空间材料科学实验,实验材料要等卫星成功返回地面后,才能收集起来作进一步的观察和实验。

不过这次天宫一号上的胶体晶体生长实验,科学家已可以通过衍射图像和相应工程数据的准实时回传,观察到晶体的生长和变化情况。

这种技术就是所谓“遥科学”的应用。早在20世纪80年代,西方发达国家就在发展这种技术,通过地面实验室与空间飞行器间的实时数据交互,科学家坐在实验室里就能获取空间实验的数据和图像,还能去修改实验参数和过程。

“我们现在的图像虽然不是实时的,但也已经能达到准实时的水平。比如一个小阶段的实验做完后,我们把数据下传到地面,然后修改参数后再上传回去,就可以实现天地间的交互。”

在冯稷看来,在将来的空间站建设中,这种实验模式是一种重要且有效的手段。“以前大量的返回式实验成本太高,将来一定要通过在线操作完成实验。将来有宇航员上天的时候,还可以让宇航员把替换的样品带上去,装置是较为通用的,可以不变,这样能以较小的代价取得更多的成果。”

当年,晶体管和集成电路技术都曾经带来过革命性的发展。现在,很多人也在期盼着光子时代的到来。

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