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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544669]
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 飞向太空的材质
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后来气凝胶东山再起，不是因为找到了商业用途，而是它的特殊性质引来欧洲核子研究中心物理学家的注意。他们当时正在研究所谓的切连科夫辐射，也就是亚原子粒子以超光速穿透物质时发出的辐射。侦测和分析切连科夫辐射可以了解粒子性质，并提供科学家一种新颖的方法来辨识粒子的种类。气凝胶非常适合作为粒子穿透用的物质，因为它可以说是固态的气体。直到现在，气凝胶依然是物理学家破解次原子世界谜团的绝佳帮手。气凝胶一旦成功踏进物理学家的实验室，有了这些复杂仪器、远大目标和大笔经费支持，名声也就再度水涨船高。
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20世纪80年代初期，气凝胶非常昂贵，只有资金充裕的实验室才用得起。欧洲粒子物理研究中心是其中之一，美国国家航空航天局则紧跟其后。二氧化硅气凝胶在太空探测上的初试啼声之作，是隔离仪器不受极高温的破坏。气凝胶特别适合这类任务，不仅因为它是世界上最好的绝热体，还因为它非常轻盈。为了让宇宙飞船摆脱地球重力进入太空，减轻零件和设备重量非常关键。
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1997年，气凝胶首次使用在火星探路者号上，从此便成为宇宙飞船的标准绝热材料。不过，美国国家航空航天局的科学家一旦发现气凝胶能耐受太空飞行，就想到它还有另一个用途。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 捕捉太空物质
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若你在晴朗的晚上仰望夜空，偶尔会见到流星一闪划过天际。人类很早就知道流星是因高速穿越地球大气层而受热烁亮的陨石，这些陨石主要来自彗星、小行星和太阳系45亿年前形成时所残留的太空尘。人类数百年来一直努力辨识这些天体的构成元素，因为这类知识有助于我们理解太阳系如何形成，甚至能解释地球的化学组成。
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分析陨石的组成元素确实能看出一些有意思的线索，问题是这些成分通过地球大气层时都经过了高温燃烧。因此美国国家航空航天局的科学家就想：要是能到外太空采集这些物质，再原封不动带回地球，那不是更好？
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这个构想的第一个难题是太空中的物体往往移动迅速，例如太空尘一般速度为每秒5公里，相当于时速1.8万公里，比子弹还要快得多，采集起来并不简单。用肉身抵挡子弹时，若子弹的力道超过皮肤的破坏压力，子弹就会贯穿皮肤；若是穿了高破坏强度材质（如凯芙拉纤维）做成的防弹背心，子弹就会遭压扁变形。无论如何，上述两种方法都很危险，不过原则上是可行的，就像“徒手”接板球或棒球一样。关键在于分散球的能量，避免单一点的高压撞击。因此，美国国家航空航天局需要找到一个方法或一样东西，能让太空尘从时速1.8万公里减速为0，又不会损及太空尘或太空船。这东西必须密度极低，让太空尘粒子可以缓缓减速不会受损，但又要在几厘米的距离内就做到，而且最好是透明的，方便科学家找到射入的太空尘。
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如果这世上真有这种东西就已经够神奇，没想到美国国家航空航天局还早就用在太空飞行上了。不用说，这东西就是气凝胶。气凝胶捕捉太空尘的力学原理其实跟特技演员跳楼一样。演员坠落在堆成小山的纸箱上，每个纸箱被压垮时都吸收掉了部分冲力，因此纸箱越多越好。同理，气凝胶里的每个“泡泡”遭太空尘粒子撞击时，都会吸收掉一点点能量，但由于每立方厘米内都有数十亿个泡泡，因此气凝胶足以完好无缺地拦阻住太空尘。
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依据气凝胶的特性，美国国家航空航天局规划了一整套太空任务，让宇宙飞船在太空中轻柔地采集太空尘。1999年2月7日，星尘号宇宙飞船发射升空，船上装载了穿越太阳系所需的装置，并且设定飞向威德二号彗星。美国国家航空航天局除了希望采集外太空的星际尘埃，也打算搜集彗星释出的尘埃，以便研究星体和彗星的构成元素。为了完成任务，他们设计了一个很像巨型网球拍的工具，只是丝线之间不是空洞，而是涂满了气凝胶。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 随星尘号远航
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2002年夏秋两季，星尘号宇宙飞船来到遥远的外太空，方圆数百万公里之内见不到半颗行星。它打开活门，伸出涂满气凝胶的巨型球拍，只不过这场星际网球赛没有对手，而且要接的球小到要用显微镜才看得见。其他恒星残骸早已消逝无踪，只剩太阳系的渣滓还在太空中飘浮。但星尘号不能在遥远的外太空逗留太久，它还得赶去跟刚刚通过太阳系外围，朝太阳系中心奔去的威德二号彗星碰面。星尘号收起气凝胶球拍，加速迎向这位每6.5年接近太阳系一次的访客。
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星尘号耗费一年多才抵达会面地点。2004年1月2日，它发现这颗直径5公里的彗星就在前方，正加速朝太阳逼近。星尘号调整方向飞入彗星后方237公里的慧尾里，再次打开活门伸出气凝胶球拍，这回使用反面，开始执行人类首次的彗星尘埃采集任务。
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任务完成后，星尘号起程回航，两年后返抵地球。快到地球时，它改变航向并抛出一个返回舱。胶囊受地球重力牵引以每秒12.9公里的速度穿越大气层，创下返回地球的最快速度，自己也化成了流星。自由坠落15秒并达炽热温度后，胶囊张开减速降落伞减缓下降速度，并于几分钟后来到了美国犹他州沙漠上空3公里处。胶囊上的减速降落伞脱落，主降落伞张开。这时地面的回收小组已经差不多知道胶囊会落在何处，于是朝沙漠驶去，预备迎接经历了7年旅程，来回航行了40亿公里的胶囊降落。胶囊于格林尼治标准时间上午10点12分落地，日期是2006年1月25日星期三。
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美国国家航空航天局加州帕萨迪纳喷射推进实验室的星尘计划主持人德克斯布里（Tom Duxbury）表示：“我们的感觉就像父母亲迎接少小离家终于归来的孩子一样，而他带回来的答案将足以解开我们太阳系最深邃的谜团。”
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不过，在打开胶囊观察气凝胶采集到的样本之前，科学家自己也不晓得胶囊到底带回了什么，又能解开哪些谜团。也许太空尘直接穿过气凝胶，什么也没留下来；也许返回地球的震荡和减速让气凝胶解体了，变成无用的细粉；也许星球之间根本没有太空尘。
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其实根本不用担心。他们把胶囊带回航空航天局实验室，打开后发现气凝胶没有受损，几乎完好无缺，仅表面出现一些微小的凿痕，检查后证实那些都是太空尘的进入点。面对一颗早在地球诞生之前就已经存在的彗星，气凝胶完成了其他材料都无法达成的任务：把彗星抛出的尘埃样本原封不动地带回地球。
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取回胶囊后，航空航天局的科学家花了许多年找出气凝胶内的尘埃，直至现在仍在进行中。他们寻找的微粒，肉眼看不到，必须靠显微镜帮忙，因此才需要这么多年。由于工程太过庞大，航空航天局甚至开放民众协助。“在家找星尘”计划训练民众担任志愿者，使用自家计算机观察数千张气凝胶样本显微影像，寻找太空尘的迹证。
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显微镜下看到的气凝胶内的彗星尘埃轨迹（美国国家航空航天局提供）
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