在太空中培养晶体需要哪些条件
最初了解到一种叫作碳化硅的材料时，我简直难以置信。碳化硅是世界上最坚硬的人造材料之一，硬度几乎可以与钻石媲美，且难以被腐蚀。它的内部结构可以形成200多种不同的晶体类型。更酷的是：在常压下，它永远不会熔化——当温度达到2700摄氏度时，它会直接从固体变为气态蒸气，而跳过了液态。我是在加州大学伯克利分校攻读机械工程博士学位时接触碳化硅的，这种材料不可思议的特性让我对材料科学产生了浓厚兴趣。我受到启发，开始研究如何利用这种奇特材料制造电子器件所面临的挑战与机遇。直到我获得博士学位后，我才了解到碳化硅不仅在地球上坚不可摧，它还能承受太空中许多极端条件：辐射、太空尘埃、剧烈温差以及微重力。宇宙辐射——高能粒子，比如质子、电子和中子——会破坏大多数电子器件。但碳化硅对宇宙射线的敏感度比硅低60%。而大多数材料无法承受诸如酷热的金星或寒冷的天王星这样的极端温度，更不用说在如此截然不同的温度之间频繁转换了。但碳化硅却能承受。意识到碳化硅可能具备在太空中使用的理想特性，我确定了职业生涯的方向，即将材料研究与太空探索相结合。我着迷于研究太空如何影响材料，以及材料在太空中如何表现。如今，我设计的电子器件可用于太空任务，还研究如何在轨道上制造材料以提升其性能。我的大部分工作重点放在金星上。金星是地球最近的邻居，但人类只在1982年苏联的一次任务中拍摄过寥寥几张金星表面的彩色全景图像。科学家推测，数十亿年前，金星与地球类似，有流动的水和更适宜的气候。如今，金星的表面温度高达475摄氏度，足以熔化铅。大气中充满了二氧化碳和二氧化硫，以及覆盖天空的硫酸雨云。金星表面的压力非常高，是地球的90多倍，与你在这里海底一英里处所承受的压力相当。我衷心希望在有生之年能看到一次可以收集金星表面温度和天气模式动态数据的着陆任务。美国宇航局（NASA）曾提议进行为期60天的金星表面测量任务，但该机构尚未知道如何制造所需的仪器。在斯坦福大学EXtreme Environment Microsystems实验室（X实验室）中，我和学生们制造了小巧而坚固的电子器件，设计用于承受金星的一切恶劣环境。黛比·G·森斯凯在斯坦福大学工程学院运行EXtreme Environment Microsystems实验室（X实验室）。图片来源：斯宾塞·洛威尔金星上的高温是最大的挑战之一。碳化硅的高耐热性正好适合这种环境。碳化硅器件可以在金星表面的极端条件下正常运行，而硅基器件则会因高温而失效。如果能在金星上建立长期探测站，碳化硅将是一个理想的选择。金星的极端条件也推动了材料研究的创新。科学家正在开发新的合金和陶瓷材料，这些材料不仅能在金星上使用，还能用于其他极端环境，比如深海探测和地球上的高温工业应用。金星研究还促使了新的探测技术的发展。例如，科学家正在开发能够在高压和高温下运行的传感器和机器人。这些技术的进步反过来也能促进地球上的工程和科学。金星任务的挑战性也激发了科学家之间的合作。来自不同国家和学科的科学家正在共同努力，以克服在金星上探测和生存的技术难题。这种跨学科合作不仅有助于金星研究，也为未来的太空探索奠定了基础。虽然金星探测充满挑战，但其科学价值和技术创新潜力巨大。通过研究金星，我们不仅能更好地理解地球的过去和未来，还能推动材料科学、工程和行星科学的发展。金星探测的成果将有助于我们更好地理解太阳系的形成和演化，以及类地行星的多样性。此外，金星探测还能激发公众对太空探索的兴趣。金星的极端条件和神秘环境吸引了众多科幻作家和电影制作人，他们的作品进一步推动了人们对太空探索的热情。金星探测的未来充满了希望。随着技术的进步和国际合作的加强，我们有望在未来几十年内实现对金星的长期探测和研究。金星将成为我们探索太阳系和理解地球环境的重要窗口。
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