深海是地球中尚未被充分探索的領域，蘊含著豐富的資源，探索深海不僅有助于我們對資源枯竭的預防，還能推動對極端環境下生命適應機制的了解。然而，深海探索面臨諸多挑戰，特別是深潛器的上浮問題。在深海作業時，深潛器需承受極端的水壓考驗，難以依靠自身動力或母船的拉力實現上浮，因此，必須借助特制的固體浮力材料，才能在其完成作業并拋載壓艙重物后，實現無動力的自主上浮。

固體浮力材料的制備技術難度大，僅有少數幾個國家掌握，其核心挑戰是要尋求材料的密度與強度的協同關系，解決這一問題的關鍵是制備出輕質高強的空心玻璃微球。空心玻璃微球是一種新型無機非金屬中空薄壁的球型粉末材料，主要成分為堿/堿土金屬硼硅酸鹽，其密度約為0.1~0.7 g/cm3，粒徑約為10~200um，壁厚約為0.5~1.5um。中空結構賦予材料低密度的特性，能夠降低浮力材料的密度，而其良好的球形度能有效地將外部負載分散到材料的各個部分，提升其力學強度，為深海應用提供可靠材料保障。

圖1固體浮力材料

圖2 空心玻璃微球

圖3 空心玻璃微球電子顯微鏡圖 (a)空心玻璃微球與頭發絲對比圖，(b)空心玻璃微球多球圖，(c)空心玻璃微球單球圖，(d)空心玻璃微球球壁放大圖

上世紀90年代，中國科學院理化技術研究所的宋廣智、張敬杰研究員在進行實心玻璃微球產業化的過程中，發現在水中漂浮了薄薄一層的顆粒，經過表征和調研，發現了這些顆粒有著空心結構，且有巨大的應用潛力，團隊當即決定對空心玻璃微球制備進行深入研究，并發明了“軟化學”法制備空心玻璃微球的先進路線，使我國在該領域擁有了自主知識產權。

空心玻璃微球的研發并不是一帆風順的，在實驗初期，因為缺少經費和設備的支持，團隊只能靠發明一些小專利，將專利出售的收益用于設備搭建與材料研發中，通過不懈努力，微球的體積漂浮率逐步提至90%以上。但是空心玻璃微球的表面仍存在較多的缺陷，力學性能差，不能滿足深海探索的要求，為此，嚴開祺研究員和團隊進行攻關，針對關鍵的工藝參數進行調整，經過數十年的努力，才成功制備輕質高強的空心玻璃微球。

圖4 不同漂浮率的玻璃微球

圖5 較多缺陷的空心玻璃微球

圖6 輕質高強空心玻璃微球

從開始研發到成功制備，團隊走了二十年，凝聚著無數次失敗與反思，也彰顯了科學探索的艱辛與執著，正是這些堅持鑄就了輕質高強的“小微球”，也為未來的“海洋夢”打開了新局面。

作者：中國科學院理化技術研究所 羅淵

審核：中國科學院理化技術研究所 研究員 嚴開祺

來源: 科普話強國

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