中國科學院院士魏炳波：

杰青項目開啟空間材料科學新紀元

  不久前，我國“太空家園”傳來好消息，中國空間站天和核心艙已在軌穩定運行3年。

  我國首個空間材料科學實驗室的創建者、中國科學院院士魏炳波欣慰地看到，3年來，天和核心艙內的無容器材料實驗柜獲得大量微重力環境下無容器材料實驗的關鍵科學數據，有望為探索新材料提供指導。

  “我們30多年來‘地面畫龍、空間點睛’的夢想終于實現！”魏炳波表示。

  長期以來，魏炳波帶領科研團隊從事金屬材料凝固科學與技術和空間材料科學研究，自主設計研制了金屬材料超常凝固實驗系統，為探索金屬材料在極端環境下的制備成形提供了強有力的實驗手段，開創了我國空間材料科學新紀元。

  1994年，魏炳波曾獲首批杰青項目資助。“我在杰青項目的申請過程中得到了高水平的學術鍛煉，項目成功獲批又給了我很大信心。”回首科研人生，他坦言，“在杰青項目支持下，我的創新能力得到進一步提高，成長為空間材料科學領域的學術帶頭人。”

 

創建地面的“太空”

 

  1992年圣誕節，28歲的魏炳波結束在德國的合作研究，搭乘國際航班從瑞士蘇黎世回到西安。他以教授的身份，重新走進母校西北工業大學的校園。

  回到祖國，魏炳波繼續致力于空間材料科學和快速凝固領域研究。幾乎所有金屬材料的加工制備過程都從凝固開始，人們將加熱后熔融的金屬冷卻至熔點以下，使其從液態轉變為固態。從液體到固體的相變過程直接關系到金屬材料的結構、微觀組織和最終性能，其中的重要參數之一——“過冷度”成為科學家關注的焦點。

  例如，在正常情況下，熾熱的鐵水在1538℃時開始凝固。而在一些特殊情況下，鐵水可以在遠低于正常凝固點的1300℃保持液態，從而達到過冷狀態。

  魏炳波介紹，在過冷狀態下，液體內部的原子或分子由于能量的降低和結構的重新排列，為后續的快速凝固過程創造了條件。

  “無容器”狀態是科學家研究過冷夢寐以求的實驗手段——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。太空的微重力環境則為實現“無容器”狀態提供了絕佳條件。

  隨著我國啟動載人航天工程，魏炳波回國后不久就參與其中，旨在為載人飛船上搭載相關載荷開展預先研究。他一心想創建一個地面的“太空”，為的是在地面模擬出太空微重力下的“無容器”效果，開展空間材料實驗。

  1994年，魏炳波得知杰青項目設立的好消息后，以“空間材料科學研究”為題提交了申請書。這讓他成為國內較早提出“空間材料科學”新概念的學者之一。

 

答辯遇到兩個難題

 

  要在地面上讓熔融金屬的液滴飄起來實現“無容器”，就需要利用某種外力抵消液滴自身的重力。申請杰青項目時，魏炳波提出了3個研究目標，計劃采用3種不同方式抵消重力。

  “首先做電磁懸浮，計劃在地面上做一些預演，模擬未來空間站的情況。”魏炳波回憶，“第二個目標是做超聲懸浮，與電磁懸浮形成互補；第三個目標是用熔體浸浮的方式做公斤級的大體積樣品。”

  當年杰青項目答辯會上，魏炳波面對眾多國際知名的材料與工程專家，條理清晰又語氣堅定地闡述了上述研究目標。話音剛落，評委們就提出了一個難題：“杰青項目給你60萬元經費，你能完成這三方面的研究嗎？”

  “當時我是個‘愣頭青’，沒有經濟頭腦，覺得可以做完。”魏炳波回憶。評委則建議他在經費有限的情況下，專注把電磁懸浮研究做好。

  答辯接近尾聲時，一位資深冶金學家又提出一個犀利的問題：“你使用玻璃熔體處理金屬材料時，如何避免它們之間的反應？”這個問題讓魏炳波一時語塞。

  最后，評委們向魏炳波提出了一些建議，并希望他認真考慮。“我當時很年輕，才30歲，通過那次答辯認識到知識面太窄，只懂得自己研究領域內的一點點東西，專家的建議讓我獲益匪淺。”如今，魏炳波對當時的情景仍然記憶猶新。

  他感慨道：“申請杰青項目的過程對我來說是一種鍛煉。評委們的高標準、嚴要求不僅是對我能力的考驗，也為我提供了成長的機會。”

 

交出漂亮成績單

 

  獲批杰青項目后，一位老前輩鼓勵魏炳波：“希望你在實驗室里帶著學生好好干，4年后交出一份合格的答卷。”

  一開始，困難遠超想象。“之前在國外都是用人家已經有的實驗裝備，沒想到自己設計一臺新型儀器會面臨那么多困難。”魏炳波說。

  在幾乎沒有經驗的情況下，魏炳波帶領科研團隊全身心投入先進實驗儀器的研發中。認識他的人都說他是個“工作狂”。如果想找魏炳波，只要到實驗室，準能看到他的身影。

  魏炳波團隊克服重重困難，終于實現了杰青項目申請書的研究目標——電磁懸浮快速凝固儀器問世。這是中國第一臺也是世界第三臺同類儀器。

  杰青項目結題時，魏炳波心懷忐忑地交上了這份答卷，不知道能不能及格。“杰青項目總結會上，我都快掉眼淚了。第一批杰青項目獲得者中，有人交上來50篇甚至100篇論文，而我只發表了10篇。”他說，“同時交了一臺自主設計的新型儀器。”

  “我們充分肯定你的工作。”專家組組長拍了拍魏炳波的肩膀說。當時，國家自然科學基金尚未單獨設立資助科研儀器研發的項目。專家組詳細研討后，認為魏炳波完成了一項原創研究，研發出的儀器擁有全部知識產權，各項指標都達到世界一流水平，能夠視為一種特殊形式的基礎研究成果。

  魏炳波深刻感受到，要把論文寫在祖國大地上。他認為，這句話不應狹義地理解為用中文寫論文并發表在中國人創辦的刊物上，而應理解為堅持目標導向和自由探索“兩條腿走路”，把世界科技前沿同國家重大戰略需求和經濟社會發展目標結合起來。

  魏炳波在執行杰青項目過程中學術能力得到極大提高。“杰青項目是我強有力的助推劑。”他強調。

  對于從2024年起開展杰青項目結題分級評價及延續資助工作，魏炳波表示：“這是力度前所未有的改革舉措，強化了杰青項目的全流程管理。”前不久，他剛剛參加了今年的杰青項目結題答辯會，13位杰青項目獲得者中有1位執行情況差。

  “我們希望青年學者通過四五年的研究，認真做科學，成長為領域內的學術帶頭人。”魏炳波表示。

 

夢圓空間站

 

  以杰青項目為起點，魏炳波帶領科研團隊在空間材料科學研究之路上越走越遠。他們建立了金屬材料超常凝固實驗系統，自主研制了電磁懸浮、超聲懸浮、靜電懸浮、氣動懸浮、熔體浸浮和自由落體等6種實驗設備，都達到國際先進或者領先水平。

  隨著我國載人航天工程的深入推進，這些成果已經應用于空間應用系統。

  2022年3月，無容器材料實驗柜在“天宮課堂”第二課上公開向全球展示。課堂上，神舟十三號乘組航天員王亞平展示了鋯金屬熔化與凝固實驗。一顆金屬小球懸浮在實驗腔體中，經過懸浮控制、激光加熱、測量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環節后，實驗完成。

  當年的空間材料科學夢已經在中國空間站上變成現實，魏炳波倍感驕傲。他說：“我們已經用中國自己的空間站做了400多個不同材料實驗樣品的實驗，使金屬材料在轉型升級上邁出更大一步。”

  面向未來，魏炳波表示，將繼續帶領團隊開展空間材料科學研究，滿足載人航天工程在空間應用與科學領域的國家重大需求。與此同時，他們在生物醫學用金屬材料領域開展有益嘗試，希望為人民生命健康作出貢獻。

  過去8年，魏炳波團隊與醫學領域專家合作，探索超常調制的特種金屬材料在人工關節等人體植入物中的潛在應用。“我們期待能夠盡快在骨科臨床上開展應用。”魏炳波表示。■

（作者楊曦單位：國家自然科學基金委員會科學傳播與成果轉化中心）