作為人類(lèi)生存的物質(zhì)基礎(chǔ),材料是科技和文明進(jìn)步的重要標(biāo)志,是高新技術(shù)發(fā)展和社會(huì)現(xiàn)代化的先導(dǎo)。人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史也是一部認(rèn)識(shí)、開(kāi)發(fā)、利用新材料的歷史。有一種材料,從發(fā)明至今已4000多年,曾經(jīng)非常珍貴,現(xiàn)在隨處可見(jiàn)。隨著科技的發(fā)展,這種材料被開(kāi)發(fā)出更獨(dú)特的屬性,廣泛應(yīng)用于新興領(lǐng)域。它,就是玻璃材料。
助力重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)
湖北省博物館鎮(zhèn)館之寶越王勾踐劍,被譽(yù)為“天下第一劍”。這把寶劍的特殊之處,不僅在于埋藏了2300多年依然鋒利如初,更令人震驚的是,其劍格中晶瑩剔透的裝飾物并非天然寶石,而是人工合成的玻璃。
玻璃作為一種由天然礦物(石英砂)加工而成的無(wú)定形材料,擁有悠久的歷史。從4000多年前在美索不達(dá)米亞和古埃及被發(fā)明之后,玻璃在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),都是作為稀有的裝飾與禮器材料使用,如公元前14世紀(jì)古埃及法老圖坦卡蒙陵墓中法老胸針上的玻璃圣甲蟲(chóng)等。直至公元10世紀(jì)以后,隨著透明玻璃組分的誕生以及吹制法等工藝的不斷成熟,玻璃開(kāi)始規(guī)?;a(chǎn)并被制成容器、窗花、鏡子等,廣泛應(yīng)用于生活中。
玻璃之所以能夠長(zhǎng)時(shí)間保存,是因?yàn)樗哂刑厥獾姆蔷B(tài)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看,玻璃內(nèi)部的原子排列雜亂無(wú)章,就像液體一樣;然而從宏觀層面來(lái)看,玻璃會(huì)表現(xiàn)出固體的特征,這被稱(chēng)為“玻璃態(tài)”,是非晶態(tài)固體的一種。盡管玻璃內(nèi)部的原子是無(wú)規(guī)則的,但如果我們將觀測(cè)范圍縮小,就會(huì)發(fā)現(xiàn)近鄰原子的排列具有一定的規(guī)律,這被稱(chēng)為“短程有序”。在玻璃內(nèi)部存在著一種被稱(chēng)為硅氧四面體的構(gòu)造單元,即一個(gè)硅原子位于中心,四個(gè)氧原子分別連接在四個(gè)頂點(diǎn)上,這種牢固的構(gòu)造單元賦予玻璃耐高溫、耐腐蝕、耐氧化和高硬度等特性。后來(lái)人類(lèi)不斷研究玻璃特性、創(chuàng)新玻璃品種,玻璃已成為當(dāng)下日常生活中最為常見(jiàn)的材料。
進(jìn)入16世紀(jì),玻璃的功能性特征進(jìn)一步被發(fā)現(xiàn)。16世紀(jì)末,顯微鏡被發(fā)明,接著,望遠(yuǎn)鏡問(wèn)世。人類(lèi)借助玻璃奇特的物理特性,不僅放大了肉眼可見(jiàn)的物體,而且觀察到超越視覺(jué)自然局限的世界,掀起光學(xué)技術(shù)革命。當(dāng)時(shí)間來(lái)到近代,從居里夫人使用玻璃器皿發(fā)現(xiàn)元素釙和鐳、開(kāi)創(chuàng)放射性理論,到高錕利用玻璃纖維實(shí)現(xiàn)通信革命,再到阿列克謝·葉基莫夫在有色玻璃中發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn),眾多改變世界的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)中都有玻璃的身影??梢哉f(shuō),玻璃激發(fā)了硅元素的潛在物理特性,通過(guò)不同元素組合賦予材料新的生命力,助推人類(lèi)的科技進(jìn)步,單就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō),玻璃是一項(xiàng)平凡而又重要的材料創(chuàng)造。
支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)
隨著玻璃組分體系、流程工藝、應(yīng)用場(chǎng)景等的加速創(chuàng)新,當(dāng)前的玻璃材料已經(jīng)成為按需求設(shè)計(jì),集高強(qiáng)、高韌、耐蝕、耐高溫、抗輻射、表面活性等優(yōu)異性能于一體的先進(jìn)材料,并廣泛應(yīng)用于信息顯示、新能源、半導(dǎo)體、生物醫(yī)療、航空航天等戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域。
作為智能化時(shí)代的關(guān)鍵信息“媒介”,新型顯示是玻璃功能化應(yīng)用的先行和主導(dǎo)領(lǐng)域。從液晶顯示、OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)柔性顯示到Mini/Micro-LED(微米量級(jí)發(fā)光二極管)顯示,每次顯示技術(shù)的更新迭代都離不開(kāi)玻璃的創(chuàng)新支撐。如在兩片薄膜晶體管TFT-LCD(液晶顯示器)玻璃基板中間填充液晶分子,結(jié)合驅(qū)動(dòng)電路和透明電極,便構(gòu)成了液晶顯示的核心器件——液晶顯示屏。當(dāng)玻璃薄到70微米以下,在保證韌性和強(qiáng)度的同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)屏幕的折疊,帶動(dòng)顯示新業(yè)態(tài)柔性可折疊手機(jī)的迭代發(fā)展。當(dāng)前,我國(guó)顯示玻璃技術(shù)整體已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,特別是在玻璃柔性化方面,實(shí)現(xiàn)了30微米柔性可折疊玻璃的工業(yè)化量產(chǎn)與批量應(yīng)用,不斷推動(dòng)柔性顯示業(yè)態(tài)成為“新藍(lán)海”。
太陽(yáng)能事業(yè)同時(shí)也是玻璃事業(yè),目前主流的太陽(yáng)能發(fā)電電池基本都需要玻璃。對(duì)晶硅電池封裝材料來(lái)說(shuō),透光率是決定其轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一。玻璃的透光率達(dá)91.6%以上,是晶硅電池封裝的首選和必備材料。碲化鎘和鈣鈦礦薄膜電池對(duì)前電極材料的透光率和導(dǎo)電率同時(shí)提出較高要求,在玻璃表面制備均勻、高透、低阻的透明導(dǎo)電氧化物薄膜,成為實(shí)現(xiàn)前電極功能的關(guān)鍵路徑。目前玻璃在鈣鈦礦電池成本中的占比已超30%,是薄膜電池產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的材料之一。當(dāng)前,我國(guó)新能源玻璃的工藝、材料、應(yīng)用已實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同,上游玻璃全球市場(chǎng)占有率超過(guò)90%,中游電池組件全球占比超過(guò)80%。
新型顯示和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用讓玻璃“無(wú)處不在”,但玻璃還有一些“不為人知”的應(yīng)用,體現(xiàn)其“小而美”的特性,比如在深海深空領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用的空心玻璃微珠。作為一種中空的微米級(jí)玻璃粉體,它的粒徑為5—150微米,密度最低僅為水的1/10。由于輕質(zhì)高強(qiáng),空心玻璃微珠是深海探測(cè)裝置的關(guān)鍵浮力材料、石油領(lǐng)域油氣田開(kāi)采中最佳的密度調(diào)節(jié)材料;同時(shí)由于兼具防火阻燃性能,它還是飛船返回艙的重要隔熱材料,因此空心玻璃微珠被稱(chēng)為21世紀(jì)的“空間時(shí)代材料”。可以看到,當(dāng)前的玻璃已經(jīng)不僅僅是應(yīng)用于建筑上的普通材料,在信息、能源等領(lǐng)域也起到不可替代的作用。經(jīng)聯(lián)合國(guó)大會(huì)全體會(huì)議正式批準(zhǔn),2022年被定為聯(lián)合國(guó)國(guó)際玻璃年,這也是聯(lián)合國(guó)第一次以單一材料來(lái)命名一個(gè)年份,折射出玻璃在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、科技和環(huán)境等領(lǐng)域的重要地位。
適配未來(lái)科技發(fā)展
當(dāng)前,新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展,推動(dòng)顛覆性創(chuàng)新不斷涌現(xiàn),跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的交叉融合逐漸成為材料研究和創(chuàng)新的必然趨勢(shì),催生新的學(xué)科前沿、科技領(lǐng)域和創(chuàng)新形態(tài)。玻璃新材料也持續(xù)深化與信息科學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)、空間科學(xué)等領(lǐng)域的交叉創(chuàng)新,開(kāi)展前沿技術(shù)探索,將為顯示技術(shù)、智慧醫(yī)療、空間科技等未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的路徑選擇。
萬(wàn)物顯示引領(lǐng)萬(wàn)物互聯(lián),開(kāi)啟未來(lái)生活的智慧新圖景。隨著玻璃向極薄方向發(fā)展,玻璃可以作為透明保護(hù)層,通過(guò)功能復(fù)合顯示更加清晰、更加集成的圖像陣列,使手機(jī)、平板電腦、電視的顯示屏幕可以像卷軸一樣輕松卷起、伸縮并隨身攜帶。未來(lái),該技術(shù)將在保證汽車(chē)安全性能的前提下,讓車(chē)輛近60%面積的玻璃區(qū)域具備透明顯示器功能,使增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等前沿技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí),打造新一代HMI(人機(jī)界面)方案。此外,在智慧醫(yī)療領(lǐng)域,在玻璃襯片上精密置入應(yīng)變傳感器、超級(jí)電容器等微型電子元器件,形成可貼合在人體表面的電子皮膚貼片,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào),如心率、血壓、體溫等,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和治療,同時(shí)可以用來(lái)增強(qiáng)智能機(jī)器人的感知能力和交互能力……玻璃正在以豐富的形態(tài)應(yīng)用到人們各個(gè)生活場(chǎng)景,發(fā)揮多樣化功能,曾在科幻電影里出現(xiàn)的未來(lái)畫(huà)面已經(jīng)照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
2023年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議強(qiáng)調(diào):“要以科技創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新,特別是以顛覆性技術(shù)和前沿技術(shù)催生新產(chǎn)業(yè)、新模式、新動(dòng)能,發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力。”我們將利用好玻璃這種古老而又現(xiàn)代的材料,立足新型工業(yè)化與新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展,圍繞國(guó)家戰(zhàn)略與科技前沿,走好高端化、智能化、綠色化、融合化發(fā)展之路,為加快建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)作出更大貢獻(xiàn)。
(彭 壽 作者為中國(guó)工程院院士、國(guó)家玻璃新材料創(chuàng)新中心主任)
評(píng)論