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)合國要把2022年確定為“國際玻璃年”？這說明玻璃已經(jīng)成為我們這個社會的根基，離開了玻璃材料人類社會就會出現(xiàn)危機。

仔細(xì)梳理玻璃在人類文明進程中的角色和地位，你一定會發(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，也許會改變我們對于玻璃包裝重要性的認(rèn)識。

為了應(yīng)對來勢兇猛的新冠疫情，世界多國競相研發(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存較長的時間，要求疫苗瓶不能與疫苗發(fā)生相互作用，否則就會直接影響藥品質(zhì)量和用藥安全。

按照國際標(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，中硼硅玻璃因為性能優(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。我國的四星玻璃是目前國內(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)?；氐慕ǔ煽蓾M足200億支生物疫苗用玻璃瓶的需求，從而改變我國疫苗瓶“受制于人”的局面，使得國產(chǎn)疫苗從生產(chǎn)到包裝擁有完全自主知識產(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%……

在一個崇尚包裝的時代，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，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。

挑戰(zhàn)深海，

玻璃微球托起“浮力夢”

從“蛟龍”號到“奮斗者”號的海試成功，展示了我國載人深潛器的國產(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條件時，深潛器才會實現(xiàn)無動力上浮。而在組成深潛器的各個子系統(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更大一些。

“蛟龍”號作為我國自行設(shè)計、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”號使用的固體浮力材料全部依賴進口。當(dāng)時國際上深海7000米級最先進的固體浮力材料密度為0.481克每立方厘米，而外國賣給我國的浮力材料密度則為0.561克每立方厘米。

固體浮力材料對我國來說簡直就是“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，就是一個難啃的“硬骨頭”。經(jīng)過無數(shù)次的試驗和失敗，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所張敬杰帶領(lǐng)的研究團隊終于在2016年攻克了深海固體浮力材料的技術(shù)難題。2018年1月，該所為我國全海深載人潛水器研制的浮力材料進行了定型測試。2020年11月28日，“奮斗者”號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)志著國產(chǎn)高性能玻璃微球托起了我國萬米載人潛水器的“浮力夢”。

其實，空心玻璃微球的應(yīng)用并不局限于深海固體浮力材料?？招牟Ａ⑶蜃鳛閺?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嶄新的信息時代。

基于光的通信由來已久，從烽火臺到光話機，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，并計算出了如何使光在光導(dǎo)纖維中進行遠(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。

光導(dǎo)纖維簡稱光纖，實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)的光纖可以同時傳送1000億對電話通話。有了這樣的通信系統(tǒng)，“地球村”就不再只是一個概念。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取代電信號來完成信息傳遞。

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，但由于光信號衰減損耗很大，只能觀察到范圍有限的體內(nèi)情況。

光信號在光纖中的傳播衰減是由玻璃的純度和傳輸光的波長所決定的。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1千米長的光纖問世。1981年，第一個光纖通信系統(tǒng)啟用。在此后的幾十年間，光纖網(wǎng)絡(luò)托起了國際互聯(lián)網(wǎng)的輝煌。

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

特別是4G的成熟和商用，讓我們步入了移動互聯(lián)網(wǎng)時代。5G時代進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時代，將會是一個更加智能的時代，我們期待美好明天的到來！

（摘自《百科知識》2022年第5期）