“透明世界”，風(fēng)景這邊獨(dú)好

蘇更林

隨處可見的玻璃，也許并沒有引起太多人的注意。為什么聯(lián)合國(guó)要把2022年確定為“國(guó)際玻璃年”？這說明玻璃已經(jīng)成為我們這個(gè)社會(huì)的根基，離開了玻璃材料人類社會(huì)就會(huì)出現(xiàn)危機(jī)。

仔細(xì)梳理玻璃在人類文明進(jìn)程中的角色和地位，你一定會(huì)發(fā)現(xiàn)“透明世界”的迷人風(fēng)采！有了玻璃，人類醫(yī)學(xué)就多了一份保障，上天入海就多了一份支持，信息交流就多了一份選擇，探索未知就多了一份信心，節(jié)能減排就多了一份力量……

“一瓶難求”，

折射出玻璃包裝之重

面對(duì)琳瑯滿目的玻璃瓶裝食品，我們似乎已經(jīng)司空見慣了。然而，近兩年發(fā)生的事，也許會(huì)改變我們對(duì)于玻璃包裝重要性的認(rèn)識(shí)。

為了應(yīng)對(duì)來勢(shì)兇猛的新冠疫情，世界多國(guó)競(jìng)相研發(fā)新冠疫苗。有媒體發(fā)出感嘆：“造得了疫苗，造不了疫苗玻璃瓶，中國(guó)又被‘卡脖子了？”

小小疫苗玻璃瓶有什么神秘之處，居然能讓疫苗“一瓶難求”？原來，疫苗瓶的選材十分講究。疫苗是一種特殊的藥品，對(duì)包裝瓶的要求極其嚴(yán)苛。畢竟疫苗要與包裝瓶直接接觸并儲(chǔ)存較長(zhǎng)的時(shí)間，要求疫苗瓶不能與疫苗發(fā)生相互作用，否則就會(huì)直接影響藥品質(zhì)量和用藥安全。

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，盛裝疫苗的玻璃容器必須為“一類中硼硅玻璃瓶”。硼硅玻璃屬于藥用玻璃，根據(jù)其三氧化二硼含量和線性膨脹系數(shù)的不同可以分為4種：高硼硅玻璃、中硼硅玻璃、低硼硅玻璃、鈉鈣玻璃。其中，中硼硅玻璃因?yàn)樾阅軆?yōu)良而成為注射劑玻璃包裝材料中的“佼佼者”，可廣泛用于制造各種針劑、血液、疫苗等藥品的包裝瓶。

中硼硅玻璃由于熔點(diǎn)高、黏度高，在熔化、拉管、成型過程中難度都要高于普通玻璃。我國(guó)的四星玻璃是目前國(guó)內(nèi)第一家能夠批量生產(chǎn)5.0藥用中硼硅玻璃的企業(yè)。國(guó)家發(fā)改委為四星玻璃投資1億多元，用于10萬噸中硼硅玻璃生產(chǎn)基地建設(shè)。基地的建成可滿足200億支生物疫苗用玻璃瓶的需求，從而改變我國(guó)疫苗瓶“受制于人”的局面，使得國(guó)產(chǎn)疫苗從生產(chǎn)到包裝擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

除了藥品包裝之外，玻璃在食品包裝中的地位也不容小覷。據(jù)悉，在清涼飲料中，玻璃包裝占到了75%；在啤酒飲料中，玻璃包裝占到了45%；在食醋中，玻璃包裝占到了99%；在調(diào)料中，玻璃包裝占到了60%……

在一個(gè)崇尚包裝的時(shí)代，玻璃作為包裝材料的地位日趨重要。玻璃以其光亮透明、化學(xué)惰性、不透氣、易成型等優(yōu)勢(shì)，大約占據(jù)了各行業(yè)包裝容器10%的份額，并且玻璃包裝用量還在逐年增長(zhǎng)。

挑戰(zhàn)深海，

玻璃微球托起“浮力夢(mèng)”

從“蛟龍”號(hào)到“奮斗者”號(hào)的海試成功，展示了我國(guó)載人深潛器的國(guó)產(chǎn)化之路。固體浮力材料是深潛器六大關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心材料就是空心玻璃微球。

所謂空心玻璃微球，就是微米量級(jí)的薄壁空心玻璃小球。這樣的玻璃微球看上去就像食鹽一樣，用肉眼都難以分辨其模樣。玻璃微球的壁厚大約是其直徑的1%，這樣的空心結(jié)構(gòu)使其密度很低，這是其作為固體浮力材料核心的根本所在。在固體浮力材料中，空心玻璃微球的體積占比高達(dá)60%～70%，并直接影響浮力材料的最終性能。

無論是載人深潛器還是無人深潛器，完成任務(wù)后都要返回到海面，固體浮力材料就是保證潛水器“回家”的關(guān)鍵材料。那么，固體浮力材料是如何發(fā)揮作用的呢？

我們知道，只有滿足深潛器密度小于海水密度這個(gè)條件時(shí)，深潛器才會(huì)實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力上浮。而在組成深潛器的各個(gè)子系統(tǒng)中，除了浮力材料之外，其他裝備的密度幾乎都是大于海水的。浮力材料的密度只有海水的一半左右，其作用就是把潛水器的密度降下來。通常，浮力材料的質(zhì)量會(huì)占到潛水器總質(zhì)量的三分之一左右，而占用的體積比例則會(huì)更大一些。

“蛟龍”號(hào)作為我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的載人深潛器，下潛深度一步躍升為7000米。然而，“蛟龍”號(hào)使用的固體浮力材料全部依賴進(jìn)口。當(dāng)時(shí)國(guó)際上深海7000米級(jí)最先進(jìn)的固體浮力材料密度為0.481克每立方厘米，而外國(guó)賣給我國(guó)的浮力材料密度則為0.561克每立方厘米。

固體浮力材料對(duì)我國(guó)來說簡(jiǎn)直就是“卡脖子”技術(shù)。研制深海固體浮力材料，關(guān)鍵是要突破空心玻璃微球核心技術(shù)。如何讓空心玻璃微球既輕又強(qiáng)，就是一個(gè)難啃的“硬骨頭”。經(jīng)過無數(shù)次的試驗(yàn)和失敗，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所張敬杰帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)終于在2016年攻克了深海固體浮力材料的技術(shù)難題。2018年1月，該所為我國(guó)全海深載人潛水器研制的浮力材料進(jìn)行了定型測(cè)試。2020年11月28日，“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器圓滿完成萬米深潛海試任務(wù)，順利返回海南三亞，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)高性能玻璃微球托起了我國(guó)萬米載人潛水器的“浮力夢(mèng)”。

其實(shí)，空心玻璃微球的應(yīng)用并不局限于深海固體浮力材料。空心玻璃微球作為復(fù)合材料的關(guān)鍵原材料之一，除了輕量化之外，還具有化學(xué)穩(wěn)定、機(jī)械穩(wěn)定以及隔音隔熱效果，在航空航天、信息產(chǎn)業(yè)、石油開采以及民生領(lǐng)域也有用武之地。

玻璃光纖，信息時(shí)代的“神經(jīng)”

互聯(lián)網(wǎng)的誕生是人類科技發(fā)展史上的一個(gè)傳奇，其革命性意義無疑是十分深遠(yuǎn)的。令人難以置信的是，一束以二氧化硅為主要材料的玻璃光纖竟然把人類帶到了一個(gè)嶄新的信息時(shí)代。

基于光的通信由來已久，從烽火臺(tái)到光話機(jī)，都體現(xiàn)了光通信的重要性；但直到激光器和光纖的發(fā)明，才真正迎來了光通信的曙光。

1966年，高錕在一篇論文中首次提出玻璃纖維作為光波導(dǎo)用于光學(xué)通信的理論，并計(jì)算出了如何使光在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}。高錕因“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得的突破性成就，獲得了2009年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，實(shí)際上就是一種透明度很高的石英玻璃絲，它是由芯子和包層組成的。芯子的直徑在10微米以下，主體材料為二氧化硅，并摻雜有少量五氧化二磷和二氧化鍺，其作用在于提高光的折射率。包層的直徑在100微米左右，是由純二氧化硅材料構(gòu)成的，或者摻雜有少量氧化硼或氟元素，其作用在于降低光的折射率。

從理論上講，一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖可以同時(shí)傳送1000億對(duì)電話通話。有了這樣的通信系統(tǒng)，“地球村”就不再只是一個(gè)概念。為什么玻璃光纖能有如此“神功”？原來，現(xiàn)代的光纖通信主要運(yùn)用了光的反射原理，并把光的全反射限制在了纖細(xì)的光纖內(nèi)部，這樣就可以用光信號(hào)取代電信號(hào)來完成信息傳遞。

光纖通信的發(fā)展過程并不是一帆風(fēng)順的。比如，減少光纖的損耗就是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。1955年，有人發(fā)明了一種用于診斷疾病的內(nèi)窺鏡。這種內(nèi)窺鏡就是用極細(xì)的光導(dǎo)纖維制成的，光線從光導(dǎo)纖維的一端射入，經(jīng)過連續(xù)反射從另一端射出。這種內(nèi)窺鏡最初被應(yīng)用于人體腸胃疾病診斷，但由于光信號(hào)衰減損耗很大，只能觀察到范圍有限的體內(nèi)情況。

光信號(hào)在光纖中的傳播衰減是由玻璃的純度和傳輸光的波長(zhǎng)所決定的。所以，提高玻璃光纖材料的純度是降低光纖損耗的關(guān)鍵之一。

1970年，世界上第一根低損耗的石英光纖誕生于美國(guó)康寧玻璃公司，傳輸損耗只有20分貝每千米，從而為光纖用于通信鋪平了道路。

1971年，世界上第一條1千米長(zhǎng)的光纖問世。1981年，第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)啟用。在此后的幾十年間，光纖網(wǎng)絡(luò)托起了國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的輝煌。

1994年4月20日，中國(guó)通過一條64千比特的國(guó)際專線全功能接入國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)，標(biāo)志著中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的開啟。我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)的跨越式發(fā)展，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及人們的智能生活提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

特別是4G的成熟和商用，讓我們步入了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。5G時(shí)代進(jìn)一步開拓了人們智能生活的新視野，并深刻影響著人們的生活方式。未來的6G時(shí)代，將會(huì)是一個(gè)更加智能的時(shí)代，我們期待美好明天的到來！

（摘自《百科知識(shí)》2022年第5期）