創(chuàng )新玻璃材料 創(chuàng )造智能生活(科技名家筆談)

　　作為人類(lèi)生存的物質(zhì)基礎，材料是科技和文明進(jìn)步的重要標志，是高新技術(shù)發(fā)展和社會(huì )現代化的先導。人類(lèi)社會(huì )發(fā)展的歷史也是一部認識、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，現在隨處可見(jiàn)。隨著(zhù)科技的發(fā)展，這種材料被開(kāi)發(fā)出更獨特的屬性，廣泛應用于新興領(lǐng)域。它，就是玻璃材料。

　　助力重大科學(xué)發(fā)現

　　湖北省博物館鎮館之寶越王勾踐劍，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多年前在美索不達米亞和古埃及被發(fā)明之后，玻璃在很長(cháng)一段時(shí)間內，都是作為稀有的裝飾與禮器材料使用，如公元前14世紀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世紀以后，隨著(zhù)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)始規模化生產(chǎn)并被制成容器、窗花、鏡子等，廣泛應用于生活中。

　　玻璃之所以能夠長(cháng)時(shí)間保存，是因為它具有特殊的非晶態(tài)結構和穩定的化學(xué)性質(zhì)。從微觀(guān)結構來(lái)看，玻璃內部的原子排列雜亂無(wú)章，就像液體一樣；然而從宏觀(guān)層面來(lái)看，玻璃會(huì )表現出固體的特征，這被稱(chēng)為“玻璃態(tài)”，是非晶態(tài)固體的一種。盡管玻璃內部的原子是無(wú)規則的，但如果我們將觀(guān)測范圍縮小，就會(huì )發(fā)現近鄰原子的排列具有一定的規律，這被稱(chēng)為“短程有序”。在玻璃內部存在著(zhù)一種被稱(chēng)為硅氧四面體的構造單元，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，玻璃已成為當下日常生活中最為常見(jiàn)的材料。

　　進(jìn)入16世紀，玻璃的功能性特征進(jìn)一步被發(fā)現。16世紀末，顯微鏡被發(fā)明，接著(zhù)，望遠鏡問(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(guān)察到超越視覺(jué)自然局限的世界，掀起光學(xué)技術(shù)革命。當時(shí)間來(lái)到近代，從居里夫人使用玻璃器皿發(fā)現元素釙和鐳、開(kāi)創(chuàng )放射性理論，到高錕利用玻璃纖維實(shí)現通信革命，再到阿列克謝·葉基莫夫在有色玻璃中發(fā)現量子點(diǎn)，眾多改變世界的重大科學(xué)發(fā)現中都有玻璃的身影。可以說(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)，玻璃是一項平凡而又重要的材料創(chuàng )造。

　　支撐戰略性新興產(chǎn)業(yè)

　　隨著(zhù)玻璃組分體系、流程工藝、應用場(chǎng)景等的加速創(chuàng )新，當前的玻璃材料已經(jīng)成為按需求設計，集高強、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，并廣泛應用于信息顯示、新能源、半導體、生物醫療、航空航天等戰略性新興領(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用的先行和主導領(lǐng)域。從液晶顯示、OLED(有機發(fā)光二極管)柔性顯示到Mini/Micro-LED(微米量級發(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，結合驅動(dòng)電路和透明電極，便構成了液晶顯示的核心器件——液晶顯示屏。當玻璃薄到70微米以下，在保證韌性和強度的同時(shí)，可以實(shí)現屏幕的折疊，帶動(dòng)顯示新業(yè)態(tài)柔性可折疊手機的迭代發(fā)展。當前，我國顯示玻璃技術(shù)整體已達到國際先進(jìn)水平，特別是在玻璃柔性化方面，實(shí)現了30微米柔性可折疊玻璃的工業(yè)化量產(chǎn)與批量應用，不斷推動(dòng)柔性顯示業(yè)態(tài)成為“新藍海”。

　　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。對晶硅電池封裝材料來(lái)說(shuō)，透光率是決定其轉換效率的關(guān)鍵因素之一。玻璃的透光率達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前電極材料的透光率和導電率同時(shí)提出較高要求，在玻璃表面制備均勻、高透、低阻的透明導電氧化物薄膜，成為實(shí)現前電極功能的關(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。當前，我國新能源玻璃的工藝、材料、應用已實(shí)現高效協(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)域的應用讓玻璃“無(wú)處不在”，但玻璃還有一些“不為人知”的應用，體現其“小而美”的特性，比如在深海深空領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛應用的空心玻璃微珠。作為一種中空的微米級玻璃粉體，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，空心玻璃微珠是深海探測裝置的關(guān)鍵浮力材料、石油領(lǐng)域油氣田開(kāi)采中最佳的密度調節材料；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世紀的“空間時(shí)代材料”。可以看到，當前的玻璃已經(jīng)不僅僅是應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)合國大會(huì )全體會(huì )議正式批準，2022年被定為聯(lián)合國國際玻璃年，這也是聯(lián)合國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、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，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，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(zhù)玻璃向極薄方向發(fā)展，玻璃可以作為透明保護層，通過(guò)功能復合顯示更加清晰、更加集成的圖像陣列，使手機、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%面積的玻璃區域具備透明顯示器功能，使增強現實(shí)等前沿技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應用成為現實(shí)，打造新一代HMI(人機界面)方案。此外，在智慧醫療領(lǐng)域，在玻璃襯片上精密置入應變傳感器、超級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，能夠實(shí)時(shí)監測人體生理信號，如心率、血壓、體溫等，實(shí)現遠程診斷和治療，同時(shí)可以用來(lái)增強智能機器人的感知能力和交互能力……玻璃正在以豐富的形態(tài)應用到人們各個(gè)生活場(chǎng)景，發(fā)揮多樣化功能，曾在科幻電影里出現的未來(lái)畫(huà)面已經(jīng)照進(jìn)現實(shí)。

　　2023年中央經(jīng)濟工作會(huì )議強調：“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，圍繞國家戰略與科技前沿，走好高端化、智能化、綠色化、融合化發(fā)展之路，為加快建設科技強國、實(shí)現高水平科技自立自強作出更大貢獻。

　　(作者彭壽為中國工程院院士、國家玻璃新材料創(chuàng )新中心主任)

　　中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心與本報合作推出

　　《 人民日報海外版 》( 2024年02月05日 第 09 版)