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不可思议的FOAM:随星尘号远航(连载之五)

2002年夏秋两季,星尘号宇宙飞船来到遥远的外太空,方圆数百万公里之内见不到半颗行星。星尘号打开活门,伸出涂满气凝胶的巨型球拍,只不过这场星际网球赛没有对手,而且要接的球小到要用显微镜才看得见。其他恒星残骸早已消逝无踪,只剩太阳系的渣滓还在太空中飘浮。

但是,星尘号不能在遥远的外太空逗留太久,它还得赶去跟刚刚通过太阳系外围、朝太阳系中心奔去的威德二号彗星碰面。星尘号收起气凝胶球拍,加速迎向这位每6.5年接近太阳系一次的访客。

耗费一年多时间,星尘号才抵达会面地点。2004年1月2日,它发现这颗直径5公里的彗星就在前方,正加速朝太阳逼近。星尘号调整方向飞入彗星后方237公里的慧尾里,再次打开活门,伸出气凝胶球拍,这回使用反面,开始实行人类首次的彗星尘埃采集任务。

任务完成后,星尘号起程回航,两年后返抵地球。快抵达地球时,它改变航向并抛出了一个胶囊——返回舱。胶囊受地球重力牵引,以每秒12.9公里的速度穿越大气层,创下返回地球的最快速度,自己也化成了流星。

自由坠落15秒并达炽热温度后,胶囊张开减速降落伞,减缓下降速度,并于几分钟后来到了美国犹他州沙漠上空3公里处。胶囊上的减速降落伞脱落,主降落伞张开。这时,地面的回收小组已经差不多知道胶囊会落在何处,于是朝沙漠驶去,预备迎接经历了7年旅程,来回飞行了40亿公里的胶囊降落。而胶囊最终于格林尼治标准时间上午10点12分落地,日期是2006年1月25日星期三。

美国航空航天局加州帕萨迪纳喷射推进实验室的星尘计划主持人德克斯布里表示:“大家的感觉就像父母亲迎接少小离家终于归来的孩子一样,而他带回来的答案将足以解开大家太阳系最深邃的谜团。”

不过,在打开胶囊观察气凝胶采集到的样本之前,科学家自己也不晓得胶囊到底带回了什么,又能解开哪些谜团。也许太空尘直接穿过气凝胶,什么也没留下来;也许返回地球的震荡和减速让气凝胶解体了,变成无用的细粉;也许星球之间根本没有太空尘。

其实根本不用担心。科学家们把胶囊带回美国航空航天局实验室,打开后发现,气凝胶没有受损,几乎完好无缺,仅表面出现一些微小的凿痕,检查后证实那些都是太空尘的进入点。面对一颗早在地球诞生之前就已经存在的彗星,气凝胶完成了其他材料都无法达成的任务——把彗星抛出的尘埃样本原封不动地带回地球。

取回胶囊后,美国航空航天局的科学家花了许多年找出气凝胶内的尘埃,直至现在仍在进行中。他们寻找的微粒,肉眼看不到,必须靠显微镜帮忙,因此才需要这么多年。由于工程太过庞大,美国航空航天局甚至邀请民众参与“在家找星尘”计划——训练民众担任志愿者,使用自家计算机观察数千张气凝胶样本显微影像,寻找太空尘的迹证。

这项研究目前得到了一些有趣的发现。其中最令人意外的就是,从威德二号彗星上取得的尘埃之中绝大多数都带有含铝熔滴。但是,熔滴需要1200℃以上的高温才能形成,而彗星始终在冰冷的太空中飞行,实在很难想象会有这类化合物。由于一般认为彗星是在太阳系诞生之初形成的冰岩,使得熔滴的存在就算不是不可能,也有些令人意外。这似乎显示,彗星形成过程的传统说明是错的,或者,大家对于太阳系的形成还有许多不了解之处。

星尘号完成任务之后,终于燃料用罄。2011年3月24日,美国航空航天局命令星尘号停止通联,星尘号在距离地球3.12亿公里外的太空中做了最后一次回应,表示收到指令,接着便和世人永别了。它目前正在浩瀚无垠的宇宙中飞行,成了人造的彗星。

星尘号的任务结束了,气凝胶的光辉岁月是不是也走到了尽头?很有可能。虽然气凝胶是世界上最好的绝热体,可是价格太贵,而且人类也不晓得是不是真正有心重视环保,愿意考虑量产气凝胶。目前有几家企业销售气凝胶绝热体,但多半还是供极端环境(如钻油工程)使用。

或许环境因素会让能源价格越来越高。一旦能源费用过高,不难想象目前盛行的双层玻璃或许会由更先进的玻璃材料取代,例如气凝胶。研发新式气凝胶的脚步正逐渐加快,目前已经有一些新技术能制造出具有弹性的可弯折气凝胶,不再像二氧化硅气凝胶那么脆弱易碎。这种名为“X气凝胶”的材料是用化学反应把刚硬的气凝胶泡沫墙分解,插入聚合物分子当成铰链,以增加气凝胶的弹性。X气凝胶可以做成极具弹性的材料,如纺织原料,可以用来制作世界上最轻暖的毯子,取代羽毛被和睡袋之类的产品。还有,气凝胶重量极轻,因此很适合制作极端环境使用的户外服饰和鞋子,甚至能取代运动鞋内的泡绵鞋底,增加鞋底的弹性。此外,最近还有人开发出可导电的碳气凝胶,以及吸取力超强、可以吸取有毒废料和气体的气凝胶。

因此,气凝胶或许一时还无法成为大家日常生活的一部分,除非环境变得更加极端与多变。身为材料科学家,虽然我很高兴人类已经找到可以适应新环境的材料,以防全球暖化万一无法逆转,但我可不希翼我的孩子遭遇这样的未来。

如今有太多材料都能量产,连从前备受崇敬的金和银也不例外。但我仍旧希望,人们能单纯因为某个材料的美和意义而欣赏它。大多数人一辈子都没机会见到气凝胶,但摸过它的人永远也忘不了。那是非常独特的体验。你把它放在手里不会感觉到任何重量,它的边缘非常不明显,几乎分不清哪里是它的边角、哪里是空气。加上那幻影般的蓝色,让人真有抓着一块天空的错觉。

气凝胶似乎有种魔力,让人说什么也想让它待在你的生活里。它就像派对上的神秘宾客,即使你不知道该跟它说些什么,也想待在它身边。这种材料值得不一样的对待,不应该遭遗忘或待在粒子加速器里。它的存在本身就值得受人青睐。

气凝胶的诞生纯粹出于人的好奇、天才与奇想。在这个强调创意并奖励创造的时代,还用金、银、钢制作奖牌实在奇怪。若要用一种材料来代表人类能仰望天空并思考自身存在,能把岩石遍布的星球化为富饶神奇之地,能探索浩瀚的太阳系却又不忘自身的柔弱与渺小,如果有一种材料好比蓝天,那就是气凝胶。

(连载完结)

本文摘自《迷人的材料》,该书编辑为马克·米奥多尼克 (Mark Miodownik),译者为赖盈满。

马克·米奥多尼克为伦敦大学学院材料科学教授,英国皇家工程学会学士,曾入选《泰晤士报》评选的“英国百大影响力科学家”。

马克·米奥多尼克教授乐于为大众讲解材料科学,且广受欢迎,曾担任多部纪录片的主持人,包括英国广播企业(BBC)第二台制作的《发明的天才》。

《迷人的材料》一书,讲述了10种改变世界的神奇物质和它们背后的故事,该书曾获得2014英国皇家学会科学图书奖、亚马孙2014年科学类选书和《物理世界》2014年推荐最佳科普书。

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