“小微球”托起“海洋梦”-科技

“小微球”托起“海洋梦” 2025-08-06 09:32:03 科技

【导语】深海，这个地球上尚未被充分探索的神秘领域，蕴藏着丰富的资源，对资源枯竭的预防及极端环境下生命机制的研究具有重要意义。然(rán)而(ér)，深(shēn)海(hǎi)探(tàn)索(suǒ)之路充满挑战，尤其是深潜器的上浮问题亟待解决。固体浮力材料，特别是其核心——轻质高强的空心玻璃微球的制备技术，成为突破这一难题的关键。中国科学院理化技术研究所的团队历经二十年艰辛探索，终于成功研制出这种材料，为深海探索提供了可靠保障，也为我国的海洋梦想打开了新篇章。

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。在深海作业时，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，其核心挑战是要寻求(qiú)材(cái)料(liào)的(de)密(mì)度(dù)与(yǔ)强(qiáng)度(dù)的(de)协(xié)同(tóng)关系(xì)，解(jiě)决(jué)这(zhè)一(yī)问(wèn)题(tí)的(de)关键是(shì)制(zhì)备(bèi)出(chū)轻(qīng)质(zhì)高(gāo)强(qiáng)的(de)空(kōng)心(xīn)玻(bō)璃(lí)微(wēi)球(qiú)。空(kōng)心(xīn)玻(bō)璃(lí)微(wēi)球(qiú)是(shì)一(yī)种(zhǒng)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。中空结构赋予材料低密度的特性，能够降低浮力材料的密度，而其良好的球形度能有效地将外部负载分散到材料的各个部分，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(tú)，(b)空(kōng)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(qiú)产(chǎn)业(yè)化(huà)的(de)过程中，发现在水中漂浮了薄薄一层的颗粒(lì)，经(jīng)过(guò)表(biǎo)征(zhēng)和(hé)调(diào)研(yán)，发(fā)现(xiàn)了(le)这(zhè)些(xiē)颗(kē)粒(lì)有(yǒu)着(zhe)空(kōng)心(xīn)结(jié)构(gòu)，且(qiě)有(yǒu)巨(jù)大(dà)的(de)应(yīng)用(yòng)潜(qián)力(lì)，团(tuán)队(duì)当(dāng)即(jí)决(jué)定(dìng)对(duì)空(kōng)心(xīn)玻(bō)璃(lí)微(wēi)球(qiú)制(zhì)备(bèi)进(jìn)行(xíng)深(shēn)入(rù)研(yán)究(jiū)，并(bìng)发(fā)明(míng)了(le)“软(ruǎn)化(huà)学(xué)”法(fǎ)制(zhì)备(bèi)空心玻璃微球的先进路线，使我国在该领域拥有了自主知识产权。

空心玻璃微球的研发并不是一帆风顺的，在实验初期，因为缺少经费和设备的支持，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。