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神十八乘组开展科学实验用了啥设备？一文了解→

中国空间站作为国家太空实验室，在轨部署了国际一流的科学研究与技术试验设施，无容器材料科学实验柜（以下简称“无容器材料实验柜”）就是其中之一。神舟十八号 乘 组在轨期间，利用无容器材料实验柜开展了空间材料科学领域的多项科学实（试）验 。

在“乘组周记”中可以了解到，三名航天员需定期对无容器材料实验柜进行实验腔体样品清理、实验样品更换、轴心机构电极维护等工作。“无容器”究竟有何特别之处？

为何开展空间材料科学研究？

空间材料科学 是材料科学与空间技术相融合形成的一个交叉学科领域 ，主要研究内容是 在外层空间以微重力、无容器、高真空和强辐射为特征的超常环境中，探索各类材料的物理化学性质、相变过程规律、合成制备和加工成形原理及其最终服役性能。发展方向首先是利用外层空间的特殊环境条件进行材料科学研究，其次是为各类材料的空间应用奠定坚实的科学基础。

无容器材料实验柜的关键技术是什么？

△无容器材料实验柜示意图

无容器材料实验柜位于空间站天和核心舱，是最早安排“上天”的实验平台之一。顾名思义，“无容器”就是不用容器承载，使实验样品在悬浮的状态下实现熔炼的过程 。

想象一下，熔融的金属或者非金属材料成为“液滴”，悬浮在空中，却不会和容器壁接触，加工后的材料能在较低温度下不凝固，仍然保持液体状态。那么，如何让样品保持“悬浮”？

△无容器材料实验柜在核心舱内的位置

静电悬浮技术便是无容器材料实验柜工作原理的关键，通过静电场实现稳定的悬浮控制，避免实验材料样品与整个实验腔体内表面的接触。

△静电悬浮技术

在地面实验室，静电悬浮是利用静电场所提供的电场力来克服重力，从而实现无容器状态。它可适用的材料种类广泛，只要样品产生了足够多的电荷量就可实现悬浮，而且材料可在真空环境中保持稳定悬浮状态，避免了介质的影响。

与电磁悬浮、超声悬浮和气动悬浮相比，静电悬浮不存在电磁搅拌、超声空化和气流扰动，外场对样品的影响很小。因此材料可在近似完全静态环境中实现无容器熔化和凝固，从而使材料熔体易于获得深过冷，便于对过冷态物理化学性质和凝固过程进行实时原位测定。

空间站静电悬浮相较于地面静电悬浮，不需要克服重力，仅需控制样品位置，其原理是根据样品位置变化，调控样品库仑力的大小和方向，使之动态“定位”于设定的位置 。与地面实验相比，所需要的电压更小 ，对样品的干扰远小于地面实验，进而提供更理想的科学实验条件，例如微重力条件下，液态样品更圆，样品的振荡更理想。

△科研人员在地面利用静电悬浮实验装置开展相关实验

无容器材料实验柜是如何工作的？

△无容器材料实验柜轴心机构内装有实验样品

在实际运行中，每个样品盒可容纳29个样品 。每次实验分为以下步骤：

①完成真空或者氩气加压的实验环境准备，确保实验在特定的气体环境下进行，以模拟太空中的环境条件；

②样品盒释放样品；

③位控系统捕获释放样品，对样品进行悬浮位置控制 ；

④启动激光器加热熔化样品 ，对样品可持续加热到2000℃以上的高温；

⑤周围的物态测量相机开展比热容、热导率等热物理性质参数测量 ；

⑥冷凝固样品 ，并进入深过冷状态，即高温熔体在温度低于其凝固点的情况下仍然保持液态状态；

⑦位控系统将悬浮样品移动到样品回收入口处，通过前后推杆将样品夹持住，再推送到样品盒内的样品存储位置。

在“天宫课堂”第二课中，神舟十三号乘组不仅介绍了无容器材料实验柜的科学原理，还通过视频演示讲解了“锆金属熔化与凝固 ”实验。

△神舟十三号乘组在轨介绍无容器材料实验柜

作为实验样品的金属小球悬浮在实验腔体中，经过悬浮控制、激光加热、测量物性、再辉、样品冷却凝固、回收等环节后，实验完成。

△神舟十三号乘组在轨介绍无容器材料实验柜

值得一提的是，实验操作是一个天地协同的过程。航天员只需要取出完成实验的样品盒、装上新样品盒，在实验过程中不需要进行直接操作，主要通过注入指令执行 ，地面工作人员就可以实时监控实验开展。

△神舟十八号乘组在轨操作无容器材料实验柜

在轨三年以来，无容器材料实验柜已开展多项关键研究项目。近期，利用空间站微重力环境开展的相分离合金凝固理论和相分离合金原位复合材料制备技术研究 取得了重要的空间应用阶段性成果。

研究团队基于前期大量的地基研究，优化设计合金成分和凝固工艺，先后于天宫二号空间实验室、神舟十三号、神舟十五号和神舟十六号飞行任务期间开展了空间相分离合金的凝固实验，成功制备出第二相均匀弥散分布的原位粒子复合材料样品和具有 壳 -核结构的球形样品 ，而相同凝固条件下的地面凝固样品则呈现了偏析型组织。

△空间凝固合金呈现弥散型组织，地面凝固合金呈现偏析组织。(a) 初始凝固部位；(b) 试样中部；(c) 最后凝固位置。

△空间样品呈现完整的核-壳结构；地面样品呈现了偏析型凝固组织。

多年天地协同研究，通过地基实验、空间实验和建模与模拟研究相结合，深入理解了相分离合金凝固组织形成过程和关键影响因素 ，发展了多种相分离合金凝固组织调控方法 ，为高性能相分离合金材料设计与制备打下了基础，从而满足大型机械、核电、船舶、输电、电子等一些领域对特种材料的需求。

△科研人员展示在空间站凝固的实验样品

无容器材料实验柜有望实现对金属和非金属的“深过冷凝固过程与机理”研究、新型功能材料制备研究、高温熔体的热物性精确测量研究等，对于地面材料的制备、提高高精度材料的生产工艺具有非常重要的意义。

未来，更多材料样品将在此开启关于“悬浮”的奇幻之旅 。随着空间材料科学的不断发展，期待在太空中制备出更多性能优越的材料，广泛应用于民众的日常生活。

责任编辑：韦小婉

大动作！“土木之王”发力冲计算机A+档，电子科大如何应对

当今及未来的世界是智能化时代，反映到国家教育发展战略上就是新工科。体现到高考招生上就是信息类学科断崖式领先一些传统工科。一些学校即使计算机不算顶尖，也造出各种各样的XX班当噱头吸引高分考生。

为此各个高校在招生时候都极力宣传自己的信息类有多强，隐藏传统工科例如土木、建筑、化工、环境等等专业，其中最让考生避之不及的就是土建类专业。不少学校干脆将土木等传统工科丢到各类专项或单列代码招生。

此消彼长之间，几乎所有高校都在发展计算机为核心的信息类学科群。在这种情况下，被誉为“土木之王”的同济大学也迎来了自己的新工科发展浪潮，在信息类学科大动作不断包括引进大牛，建立教学和科研大平台等等，9月19日揭牌计算机学院。

图源：同济官网

同济面临的挑战

同济大学是中国传统名校，在国内院校中拥有极高的声誉。

在某个领域做到世界顶尖水平的中国高校不多，同济大学就是其中之一。根据软科世界一流学科排名，同济大学位居土木工程世界第一。世界第二一直在变，但是第一名的位置一直掌握在同济手里。

图源：软科

同济大学土木建筑类专业在十几年前，很长一段时间内都是华五的分数，有时甚至能录取可以达到清北的学生。第四轮学科评估4个A+（土木、管科、城规、环境），入选7个一流建设学科：建筑学、土木工程、测绘科学与技术、环境科学与工程、城乡规划学、风景园林学、艺术与设计。可以看出，最顶尖的几个学科还是落在泛土建领域。

国家在前些年，早就提出了发展新工科的战略，鼓励高校围绕着“信息+”展开学科布局，信息产业的发展也一片繁荣，与信息类沾边的专业分数暴涨。虽然同济大学信息类学科也非常不错，但被霸主级的土建学科掩盖了光环，难以带动分数上扬。

以前分数同档的航济开三兄弟，南开是文理院校暂且不提，北航和同济都是工科为主的院校。北航因为新工科实力处于国内第一梯队，分数始终保持在华五之下第一档的水平，同济则无奈的回落到了中九团队里。如果不尽快扭转这个局面，长此下去，势必会对同济的声誉造成影响。

同济大学计算机学科成立时间很早，1978年就开设了计算机工程专业。1992年成立计算机学院。非常可惜的是1998年，学校竟然撤销了计算机学院，成立电子与信息工程学院，计算机只成为下设系之一。

同济大学在第三轮学科评估，计算机位居第12名，与北邮成电并列。第四轮学科评估，成电北邮已经跃居A档，同济仍然A-。同济7个一流建设学科中没有一个纯粹的信息类学科。

发展以信息类为核心的新工科，加入信息类学科第一梯队，成为同济不得不面对的巨大挑战！

计算机发展组合拳

9月19日，同济大学计算机科学与技术学院揭牌。该学院融合原计算机科学与技术系、软件学院而成。

新学院将加强人工智能、网络与分布式计算、计算机软件等领域的高端人才培养与关键核心技术攻关，为建设计算机科学与技术特别是人工智能的中国学派贡献力量。可以看出计算机学院的主要任务包含三项：人工智能、网络与分布式计算、软件 。

此举措，无疑正式宣告同济冲击计算机第一梯队的号角吹响！

要发展计算机学科，必然要引进该领域高端人才，给予计算机学科更大的发展空间。因此引进人才，建设平台就成了最核心的任务。同济近几年一直在准备且努力着。

2023年国家调西安交通大学副校长郑庆华担任同济大学校长，主要研究领域为大数据知识工程。获国家科技进步二等奖3项。任同济校长9个月后，当选为中国工程院院士。郑校长的上任对同济发展计算机学科十分有利，也是一个明显的标志性信号。自此，同济在计算机领域的大动作不断。

2024年7月，同济大学与电子科技大学签订人工智能联合创新中心共建协议，两校校长出席签约仪式。不止如此，同济还直接把成电的计算机大牛给拉了过来。

图源：同济官网

同济大学新任计算机学院院长申恒涛教授，原是电子科技大学计算机学院的院长。申教授是欧洲科学院院士、ACM Fellow）、IEEE Fellow、OSA Fellow。主要研究方向包括多媒体搜索，计算机视觉，人工智能，和大数据管理。在国际上率先实现了实时的近重复视频内容搜索系统。

申教授是同济引进的又一个计算机大牛，之前网上有传言，申恒涛教授团队都被挖过来了，包括优青。等同济计算机学院新的官网上线后，就会知道准确的教师队伍都有哪些了。申院长加盟同济，对于成电来说是个不小的损失。目前同济的计算机学科负责人是蒋昌俊院士、我国网络金融安全领域带头人。

同济大学2022年离任的校长陈杰院士原为北理工副校长，人工智能领域专家。陈院士在18年到任同济之后的4年时间里，对同济在人工智能领域的发展起到了重大推动作用。目前同济大学与北理工共建自主智能无人系统全国重点实验室。

新的计算机学院是原计算机系和软件学院的合并体，第四轮学科评估计算机A-，软件工程A-。如果未来两个学科整合，在后面的学科评估中只参与计算机学科评估，大幅上升甚至冲击A+都有可能。

回顾与建议

智能化时代已经来临，工科院校不发展新工科，在未来一定没有竞争力。同济大学在新工科领域的一系列组合拳已经宣告一所新工科强校诞生。其不仅在计算机领域布局，在新能源汽车、机械电子、测绘等重大需求的新工科领域都布局远大，发展迅速。原中科大信息学院副院长李智军教授（机械电子工程杰青 IEEE fellow ），已经担任同济机械与能源学院院长。

童小华教授是同济大学土生土长培养的测绘领域的顶流专家，获得过国家科技进步一等奖，在2023年当选为中国工程院院士（电子信息工程学部），目前担任副校长、航天测绘遥感与空间探测上海市重点实验室主任。还有国家新开设的智能科学与技术一级学科，同济具有很强的竞争力，未来学科评估不会差。

在汽车领域，同济本来就是顶流强校，在新能源汽车、汽车智能化等领域实力强劲，近些年也引进了不少人才例如吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室主任、IEEE fellow陈虹等。

同济在新工科领域的布局，让同济在不远的将来会成为一流的新工科强校，分数重回前10名机会很大。唱衰同济没落的可以省省了。

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