中國(guó)科學(xué)院院士魏炳波：

杰青項(xiàng)目開(kāi)啟空間材料科學(xué)新紀(jì)元

  不久前，我國(guó)“太空家園”傳來(lái)好消息，中國(guó)空間站天和核心艙已在軌穩(wěn)定運(yùn)行3年。

  我國(guó)首個(gè)空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建者、中國(guó)科學(xué)院院士魏炳波欣慰地看到，3年來(lái)，天和核心艙內(nèi)的無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜獲得大量微重力環(huán)境下無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)，有望為探索新材料提供指導(dǎo)。

  “我們30多年來(lái)‘地面畫(huà)龍、空間點(diǎn)睛’的夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)！”魏炳波表示。

  長(zhǎng)期以來(lái)，魏炳波帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)從事金屬材料凝固科學(xué)與技術(shù)和空間材料科學(xué)研究，自主設(shè)計(jì)研制了金屬材料超常凝固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為探索金屬材料在極端環(huán)境下的制備成形提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)手段，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)空間材料科學(xué)新紀(jì)元。

  1994年，魏炳波曾獲首批杰青項(xiàng)目資助。“我在杰青項(xiàng)目的申請(qǐng)過(guò)程中得到了高水平的學(xué)術(shù)鍛煉，項(xiàng)目成功獲批又給了我很大信心。”回首科研人生，他坦言，“在杰青項(xiàng)目支持下，我的創(chuàng)新能力得到進(jìn)一步提高，成長(zhǎng)為空間材料科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人。”

 

創(chuàng)建地面的“太空”

 

  1992年圣誕節(jié)，28歲的魏炳波結(jié)束在德國(guó)的合作研究，搭乘國(guó)際航班從瑞士蘇黎世回到西安。他以教授的身份，重新走進(jìn)母校西北工業(yè)大學(xué)的校園。

  回到祖國(guó)，魏炳波繼續(xù)致力于空間材料科學(xué)和快速凝固領(lǐng)域研究。幾乎所有金屬材料的加工制備過(guò)程都從凝固開(kāi)始，人們將加熱后熔融的金屬冷卻至熔點(diǎn)以下，使其從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。從液體到固體的相變過(guò)程直接關(guān)系到金屬材料的結(jié)構(gòu)、微觀組織和最終性能，其中的重要參數(shù)之一——“過(guò)冷度”成為科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。

  例如，在正常情況下，熾熱的鐵水在1538℃時(shí)開(kāi)始凝固。而在一些特殊情況下，鐵水可以在遠(yuǎn)低于正常凝固點(diǎn)的1300℃保持液態(tài)，從而達(dá)到過(guò)冷狀態(tài)。

  魏炳波介紹，在過(guò)冷狀態(tài)下，液體內(nèi)部的原子或分子由于能量的降低和結(jié)構(gòu)的重新排列，為后續(xù)的快速凝固過(guò)程創(chuàng)造了條件。

  “無(wú)容器”狀態(tài)是科學(xué)家研究過(guò)冷夢(mèng)寐以求的實(shí)驗(yàn)手段——讓熔融的金屬材料成為液滴飄浮在空中，不和容器壁接觸，在較低溫度下不凝固，仍然保持液體狀態(tài)。太空的微重力環(huán)境則為實(shí)現(xiàn)“無(wú)容器”狀態(tài)提供了絕佳條件。

  隨著我國(guó)啟動(dòng)載人航天工程，魏炳波回國(guó)后不久就參與其中，旨在為載人飛船上搭載相關(guān)載荷開(kāi)展預(yù)先研究。他一心想創(chuàng)建一個(gè)地面的“太空”，為的是在地面模擬出太空微重力下的“無(wú)容器”效果，開(kāi)展空間材料實(shí)驗(yàn)。

  1994年，魏炳波得知杰青項(xiàng)目設(shè)立的好消息后，以“空間材料科學(xué)研究”為題提交了申請(qǐng)書(shū)。這讓他成為國(guó)內(nèi)較早提出“空間材料科學(xué)”新概念的學(xué)者之一。

 

答辯遇到兩個(gè)難題

 

  要在地面上讓熔融金屬的液滴飄起來(lái)實(shí)現(xiàn)“無(wú)容器”，就需要利用某種外力抵消液滴自身的重力。申請(qǐng)杰青項(xiàng)目時(shí)，魏炳波提出了3個(gè)研究目標(biāo)，計(jì)劃采用3種不同方式抵消重力。

  “首先做電磁懸浮，計(jì)劃在地面上做一些預(yù)演，模擬未來(lái)空間站的情況。”魏炳波回憶，“第二個(gè)目標(biāo)是做超聲懸浮，與電磁懸浮形成互補(bǔ)；第三個(gè)目標(biāo)是用熔體浸浮的方式做公斤級(jí)的大體積樣品。”

  當(dāng)年杰青項(xiàng)目答辯會(huì)上，魏炳波面對(duì)眾多國(guó)際知名的材料與工程專(zhuān)家，條理清晰又語(yǔ)氣堅(jiān)定地闡述了上述研究目標(biāo)。話音剛落，評(píng)委們就提出了一個(gè)難題：“杰青項(xiàng)目給你60萬(wàn)元經(jīng)費(fèi)，你能完成這三方面的研究嗎？”

  “當(dāng)時(shí)我是個(gè)‘愣頭青’，沒(méi)有經(jīng)濟(jì)頭腦，覺(jué)得可以做完。”魏炳波回憶。評(píng)委則建議他在經(jīng)費(fèi)有限的情況下，專(zhuān)注把電磁懸浮研究做好。

  答辯接近尾聲時(shí)，一位資深冶金學(xué)家又提出一個(gè)犀利的問(wèn)題：“你使用玻璃熔體處理金屬材料時(shí)，如何避免它們之間的反應(yīng)？”這個(gè)問(wèn)題讓魏炳波一時(shí)語(yǔ)塞。

  最后，評(píng)委們向魏炳波提出了一些建議，并希望他認(rèn)真考慮。“我當(dāng)時(shí)很年輕，才30歲，通過(guò)那次答辯認(rèn)識(shí)到知識(shí)面太窄，只懂得自己研究領(lǐng)域內(nèi)的一點(diǎn)點(diǎn)東西，專(zhuān)家的建議讓我獲益匪淺。”如今，魏炳波對(duì)當(dāng)時(shí)的情景仍然記憶猶新。

  他感慨道：“申請(qǐng)杰青項(xiàng)目的過(guò)程對(duì)我來(lái)說(shuō)是一種鍛煉。評(píng)委們的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求不僅是對(duì)我能力的考驗(yàn)，也為我提供了成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。”

 

交出漂亮成績(jī)單

 

  獲批杰青項(xiàng)目后，一位老前輩鼓勵(lì)魏炳波：“希望你在實(shí)驗(yàn)室里帶著學(xué)生好好干，4年后交出一份合格的答卷。”

  一開(kāi)始，困難遠(yuǎn)超想象。“之前在國(guó)外都是用人家已經(jīng)有的實(shí)驗(yàn)裝備，沒(méi)想到自己設(shè)計(jì)一臺(tái)新型儀器會(huì)面臨那么多困難。”魏炳波說(shuō)。

  在幾乎沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的情況下，魏炳波帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)全身心投入先進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器的研發(fā)中。認(rèn)識(shí)他的人都說(shuō)他是個(gè)“工作狂”。如果想找魏炳波，只要到實(shí)驗(yàn)室，準(zhǔn)能看到他的身影。

  魏炳波團(tuán)隊(duì)克服重重困難，終于實(shí)現(xiàn)了杰青項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)的研究目標(biāo)——電磁懸浮快速凝固儀器問(wèn)世。這是中國(guó)第一臺(tái)也是世界第三臺(tái)同類(lèi)儀器。

  杰青項(xiàng)目結(jié)題時(shí)，魏炳波心懷忐忑地交上了這份答卷，不知道能不能及格。“杰青項(xiàng)目總結(jié)會(huì)上，我都快掉眼淚了。第一批杰青項(xiàng)目獲得者中，有人交上來(lái)50篇甚至100篇論文，而我只發(fā)表了10篇。”他說(shuō)，“同時(shí)交了一臺(tái)自主設(shè)計(jì)的新型儀器。”

  “我們充分肯定你的工作。”專(zhuān)家組組長(zhǎng)拍了拍魏炳波的肩膀說(shuō)。當(dāng)時(shí)，國(guó)家自然科學(xué)基金尚未單獨(dú)設(shè)立資助科研儀器研發(fā)的項(xiàng)目。專(zhuān)家組詳細(xì)研討后，認(rèn)為魏炳波完成了一項(xiàng)原創(chuàng)研究，研發(fā)出的儀器擁有全部知識(shí)產(chǎn)權(quán)，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到世界一流水平，能夠視為一種特殊形式的基礎(chǔ)研究成果。

  魏炳波深刻感受到，要把論文寫(xiě)在祖國(guó)大地上。他認(rèn)為，這句話不應(yīng)狹義地理解為用中文寫(xiě)論文并發(fā)表在中國(guó)人創(chuàng)辦的刊物上，而應(yīng)理解為堅(jiān)持目標(biāo)導(dǎo)向和自由探索“兩條腿走路”，把世界科技前沿同國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展目標(biāo)結(jié)合起來(lái)。

  魏炳波在執(zhí)行杰青項(xiàng)目過(guò)程中學(xué)術(shù)能力得到極大提高。“杰青項(xiàng)目是我強(qiáng)有力的助推劑。”他強(qiáng)調(diào)。

  對(duì)于從2024年起開(kāi)展杰青項(xiàng)目結(jié)題分級(jí)評(píng)價(jià)及延續(xù)資助工作，魏炳波表示：“這是力度前所未有的改革舉措，強(qiáng)化了杰青項(xiàng)目的全流程管理。”前不久，他剛剛參加了今年的杰青項(xiàng)目結(jié)題答辯會(huì)，13位杰青項(xiàng)目獲得者中有1位執(zhí)行情況差。

  “我們希望青年學(xué)者通過(guò)四五年的研究，認(rèn)真做科學(xué)，成長(zhǎng)為領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)帶頭人。”魏炳波表示。

 

夢(mèng)圓空間站

 

  以杰青項(xiàng)目為起點(diǎn)，魏炳波帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)在空間材料科學(xué)研究之路上越走越遠(yuǎn)。他們建立了金屬材料超常凝固實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，自主研制了電磁懸浮、超聲懸浮、靜電懸浮、氣動(dòng)懸浮、熔體浸浮和自由落體等6種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，都達(dá)到國(guó)際先進(jìn)或者領(lǐng)先水平。

  隨著我國(guó)載人航天工程的深入推進(jìn)，這些成果已經(jīng)應(yīng)用于空間應(yīng)用系統(tǒng)。

  2022年3月，無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜在“天宮課堂”第二課上公開(kāi)向全球展示。課堂上，神舟十三號(hào)乘組航天員王亞平展示了鋯金屬熔化與凝固實(shí)驗(yàn)。一顆金屬小球懸浮在實(shí)驗(yàn)腔體中，經(jīng)過(guò)懸浮控制、激光加熱、測(cè)量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環(huán)節(jié)后，實(shí)驗(yàn)完成。

  當(dāng)年的空間材料科學(xué)夢(mèng)已經(jīng)在中國(guó)空間站上變成現(xiàn)實(shí)，魏炳波倍感驕傲。他說(shuō)：“我們已經(jīng)用中國(guó)自己的空間站做了400多個(gè)不同材料實(shí)驗(yàn)樣品的實(shí)驗(yàn)，使金屬材料在轉(zhuǎn)型升級(jí)上邁出更大一步。”

  面向未來(lái)，魏炳波表示，將繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展空間材料科學(xué)研究，滿足載人航天工程在空間應(yīng)用與科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)家重大需求。與此同時(shí)，他們?cè)谏镝t(yī)學(xué)用金屬材料領(lǐng)域開(kāi)展有益嘗試，希望為人民生命健康作出貢獻(xiàn)。

  過(guò)去8年，魏炳波團(tuán)隊(duì)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)＜液献�，探索超常調(diào)制的特種金屬材料在人工關(guān)節(jié)等人體植入物中的潛在應(yīng)用。“我們期待能夠盡快在骨科臨床上開(kāi)展應(yīng)用。”魏炳波表示。■

（作者楊曦單位：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)科學(xué)傳播與成果轉(zhuǎn)化中心）