能够自我修复宇宙射线造成的损伤的下一代材料将改变太空探索
能够自我修复宇宙射线造成的损伤的下一代材料将改变太空探索
在未来的太空探索中，一种能够自我修复宇宙射线损伤的新型材料或将改变游戏规则。
太空环境恶劣，充满极端辐射。设计航天器和卫星的科学家需要能够承受这些条件的材料。
在 2024 年 1 月发表的一篇论文中，研究团队证明了下一代半导体材料金属卤化物钙钛矿实际上可以从辐射损伤中恢复并自我修复。
金属卤化物钙钛矿是1839 年发现的一种材料，在地壳中含量丰富。它们吸收阳光并有效地将其转化为电能，使其适用于天基太阳能电池板，为卫星和未来的太空栖息地提供动力。
研究人员以墨水的形式制造钙钛矿，并将墨水应用到玻璃板或塑料上，以制造轻质、灵活的薄膜设备。
令人惊讶的是，这些薄膜太阳能电池在实验室演示中的性能与传统硅太阳能电池一样好。它们的厚度几乎是传统太阳能电池的 100 倍，但性能却相当。
然而，这些薄膜在暴露于湿气和氧气时会变质。研究人员和业界目前正在解决地面部署的这些稳定性问题。
为了测试其在太空中的耐用性，研究团队开发了一项辐射实验。将钙钛矿太阳能电池暴露于低能和高能质子，并发现了独特的新特性。
高能质子修复了低能质子造成的损坏，使设备能够继续恢复并完成其工作。用于空间电子设备的传统半导体不具备这种修复能力。
研究团队对这一发现感到惊讶。一种暴露在氧气和湿气中会降解的材料如何能够承受太空的严酷辐射，这种环境会破坏传统的硅半导体，甚至能够自我修复？
在论文中，研究团队开始揭开这个谜团。
科学家预测，未来十年向近地轨道发射卫星的数量将激增，美国宇航局等航天机构的目标是在月球上建立基地。
能够承受极端辐射和自我修复的材料将改变游戏规则。
研究人员估计，只需将几磅钙钛矿材料部署到太空中即可产生高达 10,000,000 瓦的电力。目前，将材料发射到太空的成本约为每公斤 4,000 美元（每磅 1,818 美元），因此高效材料非常重要。
研究结果凸显了钙钛矿令人惊讶的特性：它们对损坏和缺陷的抵抗力。钙钛矿晶体是一种软材料，这意味着它们的原子可以转变为不同的状态，科学家称之为振动模式。
钙钛矿原子通常排列成晶格结构。然而，辐射会取代原子并损坏材料。振动可能有助于使原子恢复原位，但目前尚不清楚这个过程到底是如何进行的。
研究结果表明，软材料在包括太空在内的极端环境中可能特别有用。
但辐射只是材料在太空中必须承受的压力的一部分。目前尚不清楚钙钛矿如何在真空条件下并同时暴露于极端温度波动和辐射下。温度可能会影响研究团队看到的修复行为，但需要进一步的研究来证实这一点。
这些结果表明，软材料可以帮助科学家开发在极端环境下运行良好的技术。未来的研究可以更深入地研究这些材料的振动与其自愈特性的关系。