国际空间站（ISS）建立了一个独特的实验室环境来测试新材料。在微重力环境中，沉降和浮力驱动对流这些情况都不会发生，方便我们观察材料在较长时间内是如何发展变化的。这一点也让研究人员能够以一些比较独特的方式来操纵材料。这些机会也让我们更好地了解到材料是如何在地球上发挥功能的，进而在新材料制造时能够具备良好的结构、更高的强度和更为完善的功能。

改进的纳米半导体技术

纳米技术应用涉及原子和分子水平材料，在电信和健康与医学计算等广泛应用领域具有良好的前景。但纳米材料，特别是那些可以自行组合成不同组织形式的材料，已被证明是难以控制的。在ISS上开展的实验演示了一种构建材料的新工艺，即可以自己组合成只有一个原子厚度（纳米级）的结构。这一研究为快速、大容量计算机和信息存储系统的开发铺平了道路。

二维纳米模板实验用于构建一层薄薄的材料，可自主结合成一种紧密的重复模板。这种模型模板可以用作电子光束聚焦型板。电子光束将追踪模型板，把相同的模板刻到另一个表面上。

本项研究采用肽，它是一种由氨基酸和聚合物制成的小生物分子。例如，蛋白质就是由肽和DNA组成的一种聚合物。这种分子与水结合后将形成纳米纤维，纳米纤维再结合形成一个只有一个分子厚度的单一阵列。这种超薄的表面可用作微小型半导体的罩幕层，这也是计算机芯片的基础。研究人员要开发一种简单的方法来诱导肽键自行组合。微重力为此提供了一个独特的环境，在肽键组合的过程中它们将不会受到地球引力的干扰，造成部分分子的沉降或以错误的方式聚集在一起。

图1 AFM显微镜下（左侧）显示的是在空间实验中获得的长纤维，右图为在地面实验中获取的原始纤维阵列。

在样品返回地球后，研究人员使用了一种叫做“原子力显微镜（AFM）”的特殊显微镜，可以看到原子量级。所获图像表明，相对于在地球上生长的纤维样品，在ISS中形成的纤维有了很大的提升，由于没有多余的分子或粒子沉积在一起，因此也有了更为统一的模式。

这种新型、无差错的二维纳米纤维层可用作模板，用于标记半导体的加工表面。研究人员将其放在空间中用碳化硅衬底进行测试，在用二维纳米模板涂覆的时候，一束聚焦离子束追随这种模板并将其标识到碳化硅材料上。这是一种新型的用于制造一些非常专业的、小于10纳米间距的紧密模板的方法。

这种能跟踪小型模板的材料可在多个领域应用，包括计算机、工业工艺化学催化剂，甚至是超防水材料等。由于ISS研究，纳米技术的前沿比以往任何时候都更加清晰。

纳米世界的InSPACE大新闻

ISS中研究的微小元素技术可能会对生活生产的各个领域都带来很大的影响，例如从制动系统和机器人到抗震桥梁和建筑物等。

胶体乳液顺磁聚团结构研究（InSPACE）是一组收集磁（MR）流体基本数据的实验。它是一种暴露在磁场中能够自行组成不同形状的智能流体。

磁流体能在磁场中改变粘度，甚至可以将其内部的组合排列改变到纳米级水平（或十亿分之一米）。如此微小的距离就是典型的分子和原子。

当在磁场中暴露时，磁流体能迅速转换到接近固体状态。当去除磁场时，磁流体又能返回到液体状态。这一过程中所产生的粘弹性可被用在各种机械设备上，从机器人运动到强制动和离合器机制等。磁流体展示的自行组织的过程，对于纳米材料和纳米技术的设计和制造将会产生长远的影响。

在InSPACE-3实验期间进行的胶体自组装系列实验着眼于利用磁场和电场对胶体进行纳米级的排列，进而开发纳米材料。该项目首席科学家是来自美国特拉华大学的埃里克?弗斯特博士（Eric M.Furst）。他的研究目标是了解定向自组合的基础科学，以便更好地定义由小型胶体或纳米粒子组成的材料制备的新方法。

胶体是悬浮在溶液中的微小粒子。它们是工业过程以及家用产品，例如乳液，药剂和洗涤剂中的重要物质。

InSPACE-3重点研究的是椭圆形或椭球形的粒子，而InSPACE早前研究的磁流体是由圆形粒子构成。与以前的实验不同，这些椭圆形或椭球形粒子压紧的方法不同，并以独特的方式形成列状结构。

InSPACE-3实验中的粒子由嵌有微小的、纳米尺寸的氧化铁粒子的聚苯乙烯材料制成。当流体中混合了氧化铁以后，它就呈现出铁锈色。航天员在项目团队的指导下，针对这种铁锈色的混合物进行系列实验。

航天员对其施加一个大约从0.66Hz到20Hz的磁场，以大概每秒一次到每秒20次的频率进行接通和关断。科学家们就在其低能态下了解材料微观结构的形成。通常在磁流体施加过程中，会施加到一个恒定场，粒子形成凝胶状结构。这些粒子并不是很好地压在一起，所以就没有明确的形状。它们可以像云或热玻璃一样形成几乎任何形状。

在脉冲磁场里面，磁场的通断迫使粒子发生重组、拆卸、重组、再拆卸等等。在这种脉冲场里，粒子组合成为一种更为紧凑、有序的结构。然后科学家们开始测量并绘制它们的生长时间轴。ISS的微重力环境是理解自组在磁场中切换行为的关键。微重力减慢胶体混合物的运动速度，方便研究人员了解它们相互之间如何作用以及如何控制地面上的微小粒子。这些实验我们是无法在地球上开展的，因为纳米粒子会受到重力作用，移动速度太快。

首先，粒子在流动中形成细长的链形。由于施加了磁场，粒子中的磁偶极子使这些奇异链以平行于所施加的磁场的方式增长。这些“奇异链”彼此之间相互作用，并随着时间的推移结合在一起。结合在一起后形成的“束形”在磁场通断的不同情况下更接近于柱形。然后这些柱形结构暴露在脉冲磁场环境中，又随时间生长。这种自主导向的“束形”一直到2009年才结束的InSPACE-2研究中才被观测到。

在InSPACE研究开始的时候，就已识别出了一种以前从未见过的脉冲现象。在后续的InSPACE-2和InSPACE-3实验中，又进一步观察磁场自组相变是如何影响胶体的。研究人员通过深入观察实验，了解这些流体如何将自己变成束再进一步形成为固体状，来应对磁场脉冲的过程，他们也了解了相位分离。利用这一发现，研究人员可以制作新的纳米材料供人类未来使用。

根据InSPACE-2和InSPCE-3的研究制作出的新模型，可以用来改进或开发主动机械系统，例如新的制动系统、座椅悬浮液、应力传感器、机器人、流动站、飞机起落架和减振系统等。未来这种模型还能制成具有热屏障、能量收集和彩色显示的新型纳米材料。

正是因为InSPACE一系列的实验研究，基础科学才得以推动这些系统和提高我们的住行质量。

  图 2 上图取自胶体乳剂科学影像（柱形的形成）中的一个顺磁聚合结构研究片段。黑线是形成的柱形。绿色背景是为摄像机提供照明的绿色LED灯泡。