彭 壽:創(chuàng)新玻璃材料 創(chuàng)造智能生活

作為人類生存的物質(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)展和社會現(xiàn)代化的先導(dǎo)。人類社會發(fā)展的歷史也是一部認(rèn)識、開發(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。隨著科技的發(fā)展，這種材料被開發(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，玻璃在很長一段時間內(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。

　　玻璃之所以能夠長時間保存，是因為它具有特殊的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)。從微觀結(jié)構(gòu)來看，玻璃內(nèi)部的原子排列雜亂無章，就像液體一樣；然而從宏觀層面來看，玻璃會表現(xiàn)出固體的特征，這被稱為“玻璃態(tài)”，是非晶態(tài)固體的一種。盡管玻璃內(nèi)部的原子是無規(guī)則的，但如果我們將觀測范圍縮小，就會發(fā)現(xiàn)近鄰原子的排列具有一定的規(guī)律，這被稱為“短程有序”。在玻璃內(nèi)部存在著一種被稱為硅氧四面體的構(gòu)造單元，即一個硅原子位于中心，四個氧原子分別連接在四個頂點上，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。后來人類不斷研究玻璃特性、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)鏡問世。人類借助玻璃奇特的物理特性，不僅放大了肉眼可見的物體，而且觀察到超越視覺自然局限的世界，掀起光學(xué)技術(shù)革命。當(dāng)時間來到近代，從居里夫人使用玻璃器皿發(fā)現(xiàn)元素釙和鐳、開創(chuàng)放射性理論，到高錕利用玻璃纖維實現(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，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，玻璃激發(fā)了硅元素的潛在物理特性，通過不同元素組合賦予材料新的生命力，助推人類的科技進(jìn)步，單就這一點來說，玻璃是一項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，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（微米量級發(fā)光二極管）顯示，每次顯示技術(shù)的更新迭代都離不開玻璃的創(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，可以實現(xiàn)屏幕的折疊，帶動顯示新業(yè)態(tài)柔性可折疊手機(jī)的迭代發(fā)展。當(dāng)前，我國顯示玻璃技術(shù)整體已達(dá)到國際先進(jìn)水平，特別是在玻璃柔性化方面，實現(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，不斷推動柔性顯示業(yè)態(tài)成為“新藍(lán)海”。

　　太陽能事業(yè)同時也是玻璃事業(yè)，目前主流的太陽能發(fā)電電池基本都需要玻璃。對晶硅電池封裝材料來說，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前電極材料的透光率和導(dǎo)電率同時提出較高要求，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，我國新能源玻璃的工藝、材料、應(yīng)用已實現(xiàn)高效協(xié)同，上游玻璃全球市場占有率超過90%，中游電池組件全球占比超過80%。

　　新型顯示和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用讓玻璃“無處不在”，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裝置的關(guān)鍵浮力材料、石油領(lǐng)域油氣田開采中最佳的密度調(diào)節(jié)材料；同時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為21世紀(jì)的“空間時代材料”。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)合國大會全體會議正式批準(zhǔn)，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命名一個年份，折射出玻璃在經(jīng)濟(jì)、社會、科技和環(huán)境等領(lǐng)域的重要地位。

　　適配未來科技發(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，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、空間科技等未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的路徑選擇。

　　萬物顯示引領(lǐng)萬物互聯(lián)，開啟未來生活的智慧新圖景。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，該技術(shù)將在保證汽車安全性能的前提下，讓車輛近60%面積的玻璃區(qū)域具備透明顯示器功能，使增強(qiáng)現(xiàn)實等前沿技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用成為現(xiàn)實，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監(jiān)測人體生理信號，如心率、血壓、體溫等，實現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和治療，同時可以用來增強(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)用到人們各個生活場景，發(fā)揮多樣化功能，曾在科幻電影里出現(xiàn)的未來畫面已經(jīng)照進(jìn)現(xiàn)實。

　　2023年中央經(jīng)濟(jì)工作會議強(qiáng)調(diào)：“要以科技創(chuàng)新推動產(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、實現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)作出更大貢獻(xiàn)。

　　（彭 壽 作者為中國工程院院士、國家玻璃新材料創(chuàng)新中心主任）