作者彭壽肖像畫。
張武昌繪
一家中國公司生產(chǎn)的高端彩色玻璃材料。
作為人類生存的物質(zhì)基礎，材料是科技和文明進步的重要標志，是高新技術發(fā)展和社會現(xiàn)代化的先導。人類社會發(fā)展的歷史也是一部認識、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)出更獨特的屬性，廣泛應用于新興領域。它，就是玻璃材料。
助力重大科學發(fā)現(xiàn)
湖北省博物館鎮(zhèn)館之寶越王勾踐劍，被譽為“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)模化生產(chǎn)并被制成容器、窗花、鏡子等，廣泛應用于生活中。
玻璃之所以能夠長時間保存，是因為它具有特殊的非晶態(tài)結構和穩(wěn)定的化學性質(zhì)。從微觀結構來看，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，玻璃已成為當下日常生活中最為常見的材料。
進入16世紀，玻璃的功能性特征進一步被發(fā)現(xiàn)。16世紀末，顯微鏡被發(fā)明，接著，望遠鏡問世。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，掀起光學技術革命。當時間來到近代，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發(fā)現(xiàn)中都有玻璃的身影。可以說，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、應用場景等的加速創(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材料，并廣泛應用于信息顯示、新能源、半導體、生物醫(yī)療、航空航天等戰(zhàn)略性新興領域。
作為智能化時代的關鍵信息“媒介”，新型顯示是玻璃功能化應用的先行和主導領域。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，結合驅(qū)動電路和透明電極，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，可以實現(xiàn)屏幕的折疊，帶動顯示新業(yè)態(tài)柔性可折疊手機的迭代發(fā)展。當前，我國顯示玻璃技術整體已達到國際先進水平，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)與批量應用，不斷推動柔性顯示業(yè)態(tài)成為“新藍海”。
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，成為實現(xiàn)前電極功能的關鍵路徑。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域的應用讓玻璃“無處不在”，但玻璃還有一些“不為人知”的應用，體現(xiàn)其“小而美”的特性，比如在深海深空領域都有著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鍵浮力材料、石油領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世紀的“空間時代材料”。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，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、社會、科技和環(huán)境等領域的重要地位。
適配未來科技發(fā)展
當前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，推動顛覆性創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，跨學科、跨領域的交叉融合逐漸成為材料研究和創(chuàng)新的必然趨勢，催生新的學科前沿、科技領域和創(chuàng)新形態(tài)。玻璃新材料也持續(xù)深化與信息科學、能源科學、生命科學、空間科學等領域的交叉創(chuàng)新，開展前沿技術探索，將為顯示技術、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層，通過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，該技術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，使增強現(xiàn)實等前沿技術在汽車領域的應用成為現(xiàn)實，打造新一代HMI（人機界面）方案。此外，在智慧醫(yī)療領域，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?qū)崟r監(jiān)測人體生理信號，如心率、血壓、體溫等，實現(xiàn)遠程診斷和治療，同時可以用來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)照進現(xiàn)實。
2023年中央經(jīng)濟工作會議強調(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和前沿技術催生新產(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，為加快建設科技強國、實現(xiàn)高水平科技自立自強作出更大貢獻。
（作者為中國工程院院士、國家玻璃新材料創(chuàng)新中心主任）
中國科協(xié)科學技術傳播中心與本報合作推出