互动科普

光子晶体是20世纪80年代末提出的新概念和新材料。人们希望利用它来实现光的开关，进而研制光的逻辑器件。

图. 天然的光子晶体欧泊

用不同折射率的介质构成周期性排列的结构，如果其排列周期与电磁波的波长处于同一量级，那么电磁波在这种介质中传播时就会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。具有光子带隙的周期性结构就是光子晶体。

光子带隙是指一个频率范围，在这个频率范围里的电磁波不能在这个光子晶体里传播，而频率位于能带里的电磁波则能在光子晶体里几乎无损地传播，这类似于半导体晶体对于电子行为的影响。这样，通过对光子晶体结构进行设计，就可以实现对光子流的控制。

光子晶体到底是什么样的呢？其实，在自然界中就存在光子晶体，例如，盛产于澳大利亚的一种天然多彩宝石——欧泊（蛋白石）就是一种光子晶体。它是由二氧化硅小球有序堆积而成的胶体晶体。因为二氧化硅是无色的，所以欧泊中绚丽变幻的色彩并不是由自身所含有的色素造成的，而是因为其中存在光子能带和光子带隙。随着带隙位置的不同，反射光的色彩随之而变化，就会呈现出变幻的色彩。

国际上有关光子晶体的类似实验多以单组分实验为主，而天宫一号的空间材料科学实验，是以复合光子晶体为研究对象的。所谓复合，就是采用两种不同粒径的胶体颗粒的混合体系进行结晶。在地面的重力环境中，大小不同的颗粒受重力影响不同，因此很难观察到它们固有的结晶规律。而利用空间飞行器的微重力环境，就可以研究双组分光子晶体在微重力条件下的结晶规律，从而弄清楚重力作用是如何引起晶体的生长缺陷的。只有把这些问题研究清楚，今后才可能制备出大尺度的完美的光子晶体材料。

天宫一号实验使用的光子晶体也是一种胶体晶体，它是由亚微米级的胶体颗粒通过特定排列方式构成的类似于晶体结构的有序体系。胶体晶体结构具有类似于原子晶体的有序结构，但它的空间尺度和相变（在晶体和非晶体二者间转变）时间尺度都比原子晶体大了几个数量级，因此非常适合于研究晶体的结晶规律。

天宫一号的复合光子晶体生长实验装置内安装了3个实验单体，每个单体里各有1个实验样品。其中1个样品是单组分的聚苯乙烯胶体颗粒，另2个样品则是配比不同的双组分聚苯乙烯胶体颗粒。通过变压、变温和自然结晶，研究其生长规律。在实验过程中，分别利用激光照射进行衍射观察，获取晶体的衍射图案，并利用白光照明进行形态观察，记录晶体的形态。

当激光照射到样品中时，由于样品中缺陷（例如点缺陷、位错、层错以及孪晶晶界等）的散射，将会向各个方向发射出散射光。这些光线在光子晶体中行进时，由于晶体周期性结构的影响，会形成一些明暗相间的图案，这就是衍射图案。衍射图案与晶体的结构有关，所以通过分析这些图案，就能反推出晶体的结构，找到晶体结构的缺陷。

天宫一号在轨运行近300天，期间进行了恒温变压实验以及自然结晶实验。研究人员通过控制电压变化、温度变化等使晶体形成和破坏，同时通过衍射图案了解晶体的结构变化。初步结果显示，复合晶体比单组分晶体更稳定；晶体的形成和破坏对电压敏感；微重力下形成的晶体更稳定。更深入的研究将结合后续实验和数据积累进一步展开。

这次天宫一号上的材料科学实验，还有一个特色，那就是改变了传统的回收模式，而首次初步运用“遥科学”（Telescience）的模式开展研究。

遥科学，是指以远程交互的方式进行科学研究。通过返回式卫星搭载空间材料科学实验这种传统模式，要等卫星返回地面后，才能对实验材料进行进一步的分析。而这次天宫一号上的胶体晶体生长实验，则具有远程交互的特点：晶体的衍射图像、形态图像和相关实验数据很快地传回地面，使地面科学家及时观察到晶体的生长和变化情况。科学家们根据实验的实际情况，确定下一步的实验步骤和参数，然后将操作指令发送给天宫一号上的实验设备。这种工作模式，不但实现了天地间的交互，还减少了回收过程的干扰，可以得到更精准的实验结果。

（本文发表于《科学世界》2012年第8期）