很多人不理解为什么要花这么多精力探索火星，“天问一号”的名字就恰好回答了这个问题。作为气凝胶材料研究的骨干成员，张昊说，它来源于屈原的长诗《天问》，描绘了天地离分、日月星辰等自然现象，诗歌的内容很好地诠释了中华民族自古以来勇于探索、敢于创新的伟大精神。
神奇材料如何护航“天问”探“火”？张昊的职业生涯见证着气凝胶材料从无到有的发展历程，而飞往火星的这两个材料的诞生就整整耗时七年。他说，一切的成果都来自一招一式、踏踏实实的修炼。
气凝胶的“初生”
2007年从中科院化学所博士毕业之后，张昊应聘至中国航天科工三院306所，开始了二氧化硅热防护材料的科研之路。作为世界上最轻的固体，气凝胶的结构十分稳定，尤其二氧化硅气凝胶最高可以承受1100℃的高温，是必不可少的航天材料。
张昊深知，这些具有极致性能的特种材料，是成为实现人类走向深空、深海梦想的先决条件，一旦有所突破，就能迅速获得应用。可在那时，张昊只能从资料上查到它的性能参数，任何技术细节都为零。
气凝胶材料的研究过程要先构建微观模型，再利用各种技术手段把设想的微观结构在宏观世界完成搭建，最终还要实现工程级别的应用。在连气凝胶材料样品都没有的情况下，张昊接受了这个巨大的挑战。
为了研究气凝胶的配方，张昊自己买来各种器皿、天平等实验仪器，整天泡在实验室里做配方试验。晚上还经常背着笔记本跑回以前读书的化学所，查阅外文文献。一年多的时间，张昊已经尝试了上千种配方，数据记满了好几个本子。
2008年的一天，张昊在一篇文献中看到某种硅前驱体通过溶胶-凝聚反应可以得到性能优异的产物，他立刻跑去做试验来验证文献中所说。初步结果显示，性能果然有所提升。谁知，试验中挥发的物质竟灼伤了张昊的眼角膜，他被紧急送院治疗。
阶段性胜利似乎近在咫尺。在家休息的时候，张昊继续在脑海里复盘自己的试验过程，归纳出了提升性能的几个可能性“组合”。等眼睛稍稍恢复，张昊就跑回实验室验证他的想法：采用更加安全的配方和反应环境，同样得到了性能优异的二氧化硅凝胶。
最“硬核”的航天人
制备气凝胶还有一个核心技术和环节，那就是二氧化碳超临界干燥。“国内当时并没有能够成功设计和生产二氧化碳临界干燥设备的厂商，而国外设备动辄上千万，让我们望而却步。”那时所里只有一台20L容积的实验室级设备，根本无法实现全套工艺参数的掌握，并放大至工程应用量级。
为了解决这个问题，张昊和团队伙伴决定到车间里工作，亲自采集数据。那时候，拆阀门、换加热棒、换压力表，张昊已经得心应手。他甚至可以熟练地画出整套装备气路、冷水管路和热水管路的走向、温度传感器的位置…… 一切的努力，只为了在把新材料交接给装备设计部的时候，他们能够充分放心。
通过在车间一点点地摸索和积累，试验设备从20L扩大到160L，最终扩大到当时国内最大的1500L二氧化碳超临界干燥设备。一百多个大气压大的设备，一开就是几天。张昊不仅要保证设备运转安全，还要保证工艺流程和参数控制能成功实现，他坚持24小时待命。
2010年，气凝胶研究开始从试验迈入生产阶段。年底，张昊和团队带着试验件去了西安，接受近六米长、铺设了热防护层的整套航天设备的测试。所在的厂房是为这次大型地面试验任务临时搭建的，还没有完工，只有柱子和房顶。纤维布围成的“墙壁”，四处透着寒风，大家只能轮流到安装了空调的集装箱内取暖。
张昊回忆，“为了确保试验的真实性，装备里装了一百多公斤的燃油。一旦热防护层失效，燃油会遇到高温的金属壳体，产生不可想象的后果。”那时候，消防车就停在试验现场旁边，以防万一。
试验开始，装备表面迅速升至几百度，装备热防护层内部的温度开始缓慢上升，张昊紧紧盯着监视器上传回的传感器温度。听到“试验停止”，他赶紧跑过去看数据，一切正常。漫长的1300秒终于结束，热防护效果完全满足设计要求！这次试验的成功为热防护材料的广泛应用奠定了重要基础。
经过前期扎实的基础研究，到2018年，张昊所在的技术团队已经掌握了气凝胶结构可控设备和工程应用的全套技术，先后发展了中温型、高温型等几个系列气凝胶产品，在二十几型航天装备都获得了应用。
“天问一号”的“火星时代”
长征五号在2016年顺利完成发射，张昊团队提供的热防护材料功不可没。2017年再传喜讯，采用气凝胶材料制备的真空绝热板被成功装载在天舟一号的低温锁柜中随长征七号运载火箭发射升空。对于张昊团队来说，这一刻刻的喜悦背后，是几千个日子里航天技术的砥砺深耕。
今年5月，“天问一号”即将着陆火星。而早在2014年，张昊团队就收到了火星探测关于热防护的需求并开始研发。
这次新材料的研制需要同时贴合新的航天设备还有火星探测环境的要求。其中，实现“落”火星的高温隔热组件要求气凝胶耐受1000℃以上的高温，而“巡”火星用到的隔热板要求气凝胶密度要小于水晶的1%。两个材料的性能极为苛刻又各不相同，这对于研发团队来说是一项不小的挑战。
为了解决这个难题，张昊团队把它拆解成两个步骤。首先，要从微观结构了解长成怎样的气凝胶耐温性更好，了解长成怎样的气凝胶具有超低的密度。待找到答案后，再通过配方设计、整套制备工艺的优化和参数控制把微观结构在现实世界中呈现出来。
如果说科学发现还有灵光乍现的幸运，那科学的探索和工程的应用则没有捷径。7年的时间里，张昊和同事们尝试了上百种配方，把几十个工艺参数化整为零，先后经过了物理特性、力学特性、隔热性能和空间环境耐候性能等四大类总共98项试验测试，而且每一项试验都需要经过多个批次的重复验证。
最终，他们选择了超低密度的纳米气凝胶，可以让减负后的火星车“跑”得更快更远。而且通过微观结构的调控，能够把某一方面的性能发挥到极致，让长板更长。大量的纳米空隙就像一个一个单独的房间，单个的气体分子既不能流动也不能彼此接触，把对流传热消于无形。
“天问一号”的研制任务已暂告一段落,而对张昊团队来说，这只是若干研究方向和若干产品中的一个。
面对“十四五”，他们对气凝胶的研究提出了“更高性能、更多功能”的新目标。如今，能够耐受更高温度、具有更好隔热性能的气凝胶材料，具有光电磁等特殊功能的气凝胶材料都在研发当中。
张昊说，“探索火星最大的意义不是从火星上获得什么，而是发展航天这一科学技术制高点，给我们带来的潜在价值。很多技术和产品正陆陆续续来到普通人的身边。现在我们用到的铝合金材料和碳纤维复合材料，都是人类和地心引力作斗争的过程中诞生的。”
“人类的历史就是一个逐渐认识世界的过程，随着认知的外延和内涵不断扩展深化，相辅相成的就是科技和社会的进步。”张昊和团队盼望着他们研发的气凝胶材料在新能源汽车、工业保温和建筑节能等领域扩大应用，为碳达峰和碳中和作出他们的贡献。
（来源：中国青年网）
