离子液体 征服红色星球的百变材料

<p>　　摘要：当你需要工具或者零件来改造房子的时候，你可以去最近的五金商店。但是太空旅行者们可享受不到这种奢侈品。他们在长途太空任务（例如火星任务）的过程中可能必须要自己动手制造工具和零件。在阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心里，科学家和工程师们利用来自国际空间站的试验数据进行液体研究，来研发可以在进行外太空探索的过程中用来制造方便的工具的液体。</p><p align="center"> </p><p>　　图中是2013年连接到国际空间站外部的MISSE-8上的试验样品盘。这些样本盘上盛着环氧树脂离子液体的样品（ionic liquid epoxy samples）。这些液体能够帮助制造未来航天器的复合材料低温储罐。 (Credits: NASA)</p><p align="center"> </p><p>　　像图中这种由离子液体基环氧树脂(ionic liquid-based epoxy）和商业碳纤维(commercial carbon fibers)制成的复合包装材料压力罐马上就要在阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心进行低温和压力测试。(Credits: NASA)</p><p>　　材料国际空间站试验（Materials International Space Station Experiments，MISSE）连接到空间站的外部已经十年了。在那里，超过4000种材料暴露在恶劣的太空环境中，这其中包括一种叫做离子液体的特殊液体和一种新型环氧树脂。科学家们目前正在研究这两种液体是如何抵御轨道外部环境的。这种类型的液体都具备较低的熔点，并不像普通化学物质一样易燃。它们通常蒸气压很低，这意味着它们不容易蒸发，并且更容易保存在真空中。</p><p>　　“因为离子液体的独特的化学性质，我们可以在它们的帮助下，使用类似烤面包的温度来在月球或者火星的土壤中提取金属和氧。”马歇尔中心的材料学家Laurel Karr 说，“被提取的金属可以用作3D打印材料，而氧气可以维持生命或用作推进力。</p><p>　　Karr 表示，离子液体可以用来溶解火星表面的风化层，无论是对人类还是机器人而言，探索者们通常用于探查火星的钻头寿命都会因此得以延长。</p><p>　　“我们钻入行星或者小行星的表面来获得地质研究的样本，” Karr说。“有了这种液体，我们可以获取液体状态的样本，直接在钻取现场进行化学研究。”</p><p>　　NASA对这些离子液体有兴趣不仅因为它们对于探索任务的很多用途，还因为它们是环保的化学品。对比目前在地球上使用的提取贵金属的方式，使用离子液体从矿物中提炼金属可以避免对环境造成不良影响。例如，按常规方法提取镍需要在1350摄氏度的环境下使用硫酸来融化材料。因为酸的毒性，这种方式在封闭的航天器里是不切实际的，而离子液体可以在200摄氏度的陨石中提取镍。</p><p>　　此外，科学家们也在探究另一种可能性——利用离子液体从空气提取二氧化碳，将其分解成用于呼吸的氧气和用于推进的甲烷，从而在太空中维持生命。许多种离子液体在经过过滤后或在电解或氢化后，甚至可以被制成有用的、可回收的材料，在太空中或地球上使用。</p><p>　　离子液体中让人充满兴趣的一种是环氧树脂。Richart Grugel ，马歇尔中心的一位材料学家，已经和他的同事系统地研究了离子液体制成的环氧树脂，发现它们非常坚固，能够很好地结合碳纤维，还可以忍耐低极端的温液氢液氧温度。</p><p>　　2013年，在MISSE-8上对两种不同类型的离子液体的环氧树脂进行了试验。在暴露在太空环境中暴露两年以后，环氧树脂恢复了原来的状态后被航天器“X空间龙”带回地球。液体的测试样本显示出了经过太阳紫外线辐射而产生的阴影，但是并没有裂缝，没有脱开粘接，也没有发现重量和粘连性的变化。</p><p>　　“这些属性表明环氧树脂可用于制造碳纤维复合材料低温液体储存罐，“Grugel说。“这种存储罐会比目前用于发射航天器的铝制罐轻很多。”</p><p>　　细微裂痕会导致漏水，这是早期复合材料低温存储罐设计一直所面临的挑战。马歇尔中心一直在进行关于复合包装压力罐（小型金属罐子外面包裹离子液体环氧树脂制成的商业碳纤维）的测试，目的是确认这种离子液体到底能否用于构建这种储存罐，使它们更强韧。</p><p>　　“研究显示，这种多功能液体不仅可以用于建造和修理去火星的航天器，而且可以在到达火星后帮助我们维持生命，完成更多探索。” Grugel 说。</p><p>　　正如MISSE试验所证实的，科学是需要时间证明的，试验样本在被带回地球之后的几十年间一直在起作用。MISSE试验成功地验证了NASA、商业公司、美国国防部所使用的原材料的性能、稳定程度和长期耐受性。很多航天器如今的安全运行需要感谢MISSE试验，因为MISSE帮助这些航天器选择了最合适太空环境的材料。第一队火星探索者也需要感谢MISSE，因为MISSE帮助他们找到创新型原料和操作方式，让他们可以在火星维持生命。</p><p>　　Laurel Karr 和 Richard Grugel，两位NASA马歇尔太空飞行中心的材料学家，最近通过NASA TV播放的《空间站现场》（ Space Station Live）讲述了国际太空站试验中所运用的材料。这次调查着重探究了离子液体，这种液体很有可能运用于航天器储存罐的设计和在火星土壤中提取氧或者其他元素的有价值工具，是一种既神奇又环保的液体材料。</p><br />