“小微球”托起“海洋梦”

【导语】深海，这片地球上尚未被充分探索的神秘领域，蕴藏着丰富的资源，对资源枯竭的(de)预防与极端环境下生命机制的研究具有重要意义。然而，深海探索之路充满挑战，尤其是深潜器的上浮问题亟待解决。固体浮力(lì)材(cái)料(liào)，特(tè)别(bié)是(shì)轻(qīng)质(zhì)高(gāo)强(qiáng)的(de)空(kōng)心(xīn)玻(bō)璃(lí)微(wēi)球(qiú)，成(chéng)为(wèi)实现深潜器自主上浮的关键。中国科学院理化技术研究所的科研团队历经二十年艰辛探索，终于成功制备出这种高性能材料，为深海探索开启了新篇章。

深海是地球中尚未被充分探索的领域，蕴含着丰富的资源，探索深海不仅有助于我们对资源枯竭的预防，还能推动对极端环境下生命适应机制的了解。然而，深海探索面临诸多挑战，特别是深潜器的上浮问题。在深海(hǎi)作(zuò)业(yè)时，深潜器需承受极端的水压考验，难以依靠自身动力或母船的拉力实现上浮，因此，必须借助特制的固体浮力材料，才能在其完成作业并抛载压舱重物后，实现无动力的自主上浮。

固体浮力材料的制备技术难度大，仅有少数几个国家掌握(wò)，其(qí)核(hé)心(xīn)挑战是要寻求材料的密度与强度的协同关系，解决这一问题的关键是制备出轻质高强的空心玻璃微球。空心玻璃微球是一种新型无机非金属中空薄壁的球型粉末材料，主要成分为碱/碱土金属硼硅酸盐，其密度约为0.1~0.7 g/cm3，粒径约为10~200um，壁厚约为0.5~1.5um。中空结构赋予材(cái)料(liào)低(dī)密(mì)度(dù)的(de)特(tè)性(xìng)，能(néng)够(gòu)降(jiàng)低(dī)浮(fú)力(lì)材(cái)料(liào)的(de)密(mì)度(dù)，而(ér)其(qí)良(liáng)好(hǎo)的(de)球(qiú)形(xíng)度(dù)能(néng)有(yǒu)效(xiào)地(de)将(jiāng)外(wài)部(bù)负(fù)载(zài)分(fēn)散(sàn)到(dào)材(cái)料(liào)的(de)各(gè)个(gè)部(bù)分(fēn)，提升其力学强度，为深海应用提供可靠材料保障。

图1固体浮力材料

图2 空心玻璃微球

图3 空心玻璃微球电子显微镜图 (a)空心玻璃微球与头发丝对比图，(b)空心玻璃微球多球图，(c)空心玻璃微球单球图，(d)空心玻璃微球球壁放大图

上世纪90年代，中国科学院理化技术研究所的宋广智、张敬杰研究员在进行实心玻璃微球产业化的过程中，发现在水中漂浮了薄薄一层的颗粒，经过表征和调研(yán)，发(fā)现(xiàn)了这些颗粒有着空心结构，且有巨大的应用潜力，团队当即决定对空心玻璃微球制备进行深入研究，并发明了“软化学”法制备空心玻璃微球的先进路线，使我国在该领域拥有了自(zì)主知(zhī)识(shi)产(chǎn)权(quán)。

空(kōng)心(xīn)玻(bō)璃(lí)微(wēi)球(qiú)的(de)研(yán)发(fā)并(bìng)不(bù)是(shì)一(yī)帆(fān)风(fēng)顺(shùn)的(de)，在(zài)实(shí)验(yàn)初(chū)期(qī)，因(yīn)为(wèi)缺(quē)少(shǎo)经(jīng)费和设备的支持，团队只能靠发明一些小专利，将专利出售的收益用于设备搭建与材料研发中，通过不懈努力，微球的体积漂浮率逐步提至90%以上。但是空心玻璃微球的表面仍存在较多的缺陷，力学性能差，不能满足深海探索的要求，为此，严开祺研究员和团队进行攻关，针对关键的工艺参数进行调整，经过数十年的努力，才成功制备轻质高强的空心玻璃微球。

图4 不同漂浮率的玻璃微球

图5 较多缺陷的空心玻璃微球

图6 轻质高强空心玻璃微球

从开始研发到成功制备，团队走了二十年，凝聚着无数次失败与反思，也彰显了科学探索的艰辛与执着，正是这些坚持铸就了轻质高强的“小微球”，也为未来的“海洋梦”打开了新局面。

作者：中国科学院理化技术研究所 罗渊

审核：中国科学院理化技术研究所 研究员 严开祺