火星被認(rèn)為是太陽系中除地球之外最適宜人類移居的行星，也是人類探測浩瀚宇宙的起點。近年來，火星基地建設(shè)受到關(guān)注?；鹦潜砻娓采w著一層火星壤。而原位利用火星資源可以降低基地的建設(shè)成本，并提高人類在火星生存的維持能力。復(fù)合材料是由基體和增強(qiáng)體組成的二元或多元混雜體系，組成材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使得復(fù)合材料綜合性能優(yōu)于原組成材料進(jìn)而滿足不同的要求。因此，若能夠原位利用火星資源獲得基體與增強(qiáng)體并將其制成復(fù)合材料，則有望減少火星基地建設(shè)和運(yùn)維過程對地球資源的依賴。

近期，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所、地球化學(xué)研究所聯(lián)合香港中文大學(xué)（深圳）等，以火星基地建設(shè)對高性能增強(qiáng)體材料的需求為出發(fā)點，探討了利用火星壤制備連續(xù)纖維并用于建設(shè)火星基地的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，火星壤與地球玄武巖具有相近的化學(xué)成分、礦物相組成和類似的熔融行為。實驗顯示，模擬火星壤在1360 ℃完全熔融，在熔融-冷卻過程中無明顯晶體析出，且熔體在淬冷后轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)玻璃體。以這一實驗結(jié)果為指導(dǎo)，科研人員采用熔融-牽引法在不同成纖速度下獲得了連續(xù)火星壤纖維。研究顯示，所得纖維的平均直徑為9.7-13.9 μm，單絲最大拉伸強(qiáng)度為1320 MPa，最大拉伸模量為99 GPa。同時，研究發(fā)現(xiàn)，隨著成纖速度的增加，纖維的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量降低。這可能是由于成纖速度影響纖維中原子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。

火星壤纖維中，Si是主要元素，且含量超過45 wt%。Si原子會與O原子形成四面體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在纖維中形成網(wǎng)絡(luò)單元。一個O原子鏈接兩個Si原子即為橋氧，否則為非橋氧。一般而言，硅酸鹽體系中橋氧鍵數(shù)目越多，Si原子所形成的網(wǎng)絡(luò)聚合度越高?？蒲腥藛T采用拉曼光譜并結(jié)合高斯分峰擬合研究證實，火星壤纖維的網(wǎng)絡(luò)聚合度隨成纖速度增加而減小，具體表現(xiàn)為在拉曼光譜中代表含有3個橋氧的硅氧四面體峰面積逐漸減小。因此，該研究證明了在較低的成纖速度下制備的火星壤纖維具有更致密的原子結(jié)構(gòu)，使其更易抵抗外界破壞，進(jìn)而具有較好的力學(xué)性能。

進(jìn)一步，科研人員結(jié)合火星低重力以及特殊大氣（低氣壓以及惰性氣氛）等環(huán)境條件，分析了上述因素對纖維成纖過程及性能的影響。

研究顯示，以火星壤為原料可獲得連續(xù)、直徑可控的纖維材料，同時，所得纖維有望通過復(fù)合技術(shù)實現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備，這對于原位利用火星壤建設(shè)火星基地具有應(yīng)用價值。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《交叉科學(xué)》（iScience）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項目、新疆維吾爾自治區(qū)“天山英才”培養(yǎng)計劃等的支持。

論文鏈接

利用火星壤制備連續(xù)纖維并用于火星基地建設(shè)的構(gòu)想圖（A）以及以不同成纖速度生產(chǎn)的火星壤纖維的微觀形貌（B）和結(jié)構(gòu)表征（C）