灶火把冷水烧成热水，暖气片把房屋烘得温暖……大部分情况下，冷液、冷气密度高，热液、热气密度低，于是在重力作用下，轻者上升，重者下沉，产生了循环流动。只要气体、液体中存在冷热差异，对流就几乎无处不在。
加热水或屋子，要加强对流；但在金属材料的凝固加工过程中，有时却要防止对流发生。大到直径数米的铸锭，小到几微米厚的芯片焊料，都可能因为冷却时金属液强烈冲刷，而产生凝固缺陷，降低材料性能；对流又使各种因素的影响相互混淆，让研究者很难分辨热量传递、元素扩散等单一因素带来的影响，继而难以认知凝固规律。谁能让一片混沌的对流停下来，让我们探知凝固规律？又有谁能提供一个长时间无对流的安定环境，获得更好的金属材料？地上有重力，难以规避对流，人们便把目光投向了天上。中国科学院金属研究所赵九洲研究员团队在中国空间站“天宫”中开展了凝固实验。经过他们的努力，在微重力条件下，金属材料内部结构从“西瓜瓤”变成了“火龙果”。这一成果为改善材料力学性能迈出了关键一步。把金属材料放在显微镜下观察，便会看到多种多样的区域：有树枝状的、球粒状的、板条状的，粗大的、细小的，聚集的、弥散的……这些区域叫做材料的相，共同构成材料的组织。切开赵九洲团队在“天宫”中获得的实验样本，可以发现，它的组织像火龙果的果肉一样，在“瓤”里有密密麻麻的“籽”弥散分布。把组织当成一幅画来看，“瓤”好像一个背景板，所以称为“基体相”；“籽”相对于“瓤”是分散的、量小的，因此称为“第二相”。对比一下，在地面凝固得到的金属材料就不象“火龙果瓤”了，而更像“西瓜瓤”。“西瓜籽”第二相不仅更加粗大，而且由于密度比基体相高，在凝固时容易沉降到下方聚集。人们喜欢“火龙果”而不喜欢“西瓜”，因为弥散的、细小的第二相能显著优化材料的力学性能，而粗大、集中的“西瓜籽”则害处很大。金属材料受到足够大的外力时，会有一部分原子先行滑动发生变形，已变形区与未变形区之间就有了畸变的边界，学界称之为“位错”。变形区向前推进原本畅行无阻，遇到第二相就会被拦住。好比一条多车道的马路撒上了石头。每条车道都有石头，受阻的车辆就多；只有一个车道有石头，受阻的车辆就少；面对“火龙果籽”一样的小石头，车可以多费点油，轧过去或者绕过去；面对“西瓜籽”一样的大石头，车就只能停下来堵着。如果位错在少数集中的“西瓜籽”旁边塞积过多，就会导致这个区域畸变过大，萌生裂纹，而且由于裂纹进展过快，材料还未及发生很大变形就已经断裂了；相反，如果是大量弥散的“火龙果籽”，材料依然可以发生较大的变形，能够抵抗的外力也提升了。能抵抗外力而不变形、不断裂，称为材料的强度，抵抗外力越大，强度越高；能发生永久变形而不断裂，称为材料的塑性，允许的变形越大，塑性越高；力乘以位移得到的是能量单位，破坏一种材料需要的能耗，称为材料的韧性或脆性，能耗大就更韧，反之更脆。所以，粗大第二相会让材料的断裂强度和塑性显著降低，既扛不住外力，也不便于加工；分布不均更使得同一块材料不同部位性能不均匀，而“火龙果”式细小弥散的第二相，则有可能使材料的强度和韧性获得显著提升。应该如何避免“西瓜”组织，去获得“火龙果”组织呢？需要回到材料凝固的过程中寻找答案。我们先回忆一下高中化学课上的苯酚（一种油状化合物）溶解实验：把少量苯酚（一种油状化合物）与水混合，加热是清亮的溶液，冷却下来则浑浊。右图：温度下降，富含苯酚的液滴与富含水的液体分离，形成浊液这个“苯酚-水”的体系跟“液-液”分离型合金是类似的。苯酚溶液中悬浮着富含苯酚的乳状小液滴，就像一种金属液体中“包含”着另一种液体。起初，小液滴细小弥散，若此时快速冷却，得到的就是“火龙果组织”，若缓慢冷却，则液滴不断沉浮、碰撞合并变大，最终形成的就是“西瓜组织”。液滴为什么会不断运动？一个原因就是热对流；另一个原因是密度差，在重力作用下，液滴密度比基体大就会下沉，比基体小就会上浮，导致最终分布“下多上少”或“上多下少”，统称为沉降效应。在对流冲刷和自然沉降双重作用下，熔体中第二相发生迁移、碰撞、合并。此外，热对流还会导致熔体不同位置冷却速度出现差异，进一步加剧了第二相的不均匀分布。是不是只要消除了对流和沉降，就能得到理想的“火龙果”了？赵九洲团队就此开展了金属凝固的天地对比研究。其中一个实验非常典型。一颗含有稀土的金属球在静电场作用下悬浮在空中，用激光熔化，而后迅速凝固。冷却过程中，富稀土液滴首先在温度较低的球的表面先析出，然后球的内部也开始析出，熔体内每形成一个富稀土的液滴，就要从周围液体中吸取稀土，缺失的稀土需要从更远的地方扩散过来补充。在地面上，对流将熔体中溶解的稀土源源不断地输送到液滴旁边，液滴吸收稀土，又发生碰撞合并，得以不断长大，并在重力作用下沉降到小球底部。但是在“天宫”的微重力条件下凝固时，熔体不再发生重力导致的对流和液滴沉降，稀土向液滴输送的速度缓慢，液滴碰撞合并速度也很慢，因此，液滴长大速度很慢，最终得到具有“壳-核结构”的球形样品。凝固终结后，可以看到这颗小球中间有“瓤”，“瓤”中有“籽”，符合预期；而外层则给“瓤”套上了一层“壳”，“壳”下有“内果皮”，结构清晰展现，界限分明。这种“壳-核结构”，让凝固样品成为名副其实的“火龙果”。
为了应对重力场对熔体流动的不利影响，人们发挥十八般武艺开发材料凝固新技术：或者尝试在地面上获得微重力环境，比如通过落管，让金属液在自由落体的失重状态下凝固；或者人为控制温度场和液体整体流动，实现定向凝固、连续凝固……太空能提供了长时间的微重力环境，这对于揭示合金凝固规律十分有利。从20世纪70年代开始，人们便利用空间实验室、探空火箭等开展了空间微重力条件下“液-液”分离型合金凝固行为的研究工作，期望通过空地对比实验探明规律和调控方法，来指导地面制备理想的合金材料。但四十多年来，天基凝固研究收效甚微。早期研究中，人们简单认为，只要消除重力，各类密度差就不会引发对流和沉降，“火龙果”型凝固组织唾手可得。但除了重力之外，影响液滴形成、长大和移动的因素还有很多，相间界面能、温度梯度、浓度梯度……有些因素甚至也会引发熔体对流。最终得到的，依然是“西瓜”型组织。为了控制这些因素，赵九洲团队在地面上做了大量前期研究，在两个方向上取得了重要成果。一种是添加表面活性微合金化元素，相当于“起泡剂”“凝结核”，让熔体中快速、弥散地析出大量“火龙果籽”；另一种是通过电、磁场进行调控：恒定磁场能有效抑制熔体内的对流；当液滴的电导率高于基体时，脉冲电流能促使“火龙果籽”大量析出。研究团队对凝固规律的把握更为深入，研究设计更为系统缜密，终于让“金属火龙果”在天宫中顺利结出。 天宫空间站为材料学研究提供了更广阔的平台，让地面上的金属凝固研究有了更丰富的可能性。展望未来，后续研究过程中，基于本项目的基础理论，研究者还将针对大型机械、电力、船舶、电子等领域的需求，研发特种合金。我们必将从宇宙中带回更多的成果，天地协同铸就更多“天外神金”。
