帮助“奋斗者”号从万米海底浮上来的，竟然是一个个细如头发丝的玻璃微球 | 严开祺——科学讲坛
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从最开始一个概念的提出，
到最后“小微球”的应用，
我们从1996年到2017年，
整整经历了21年，
可以说是二十年磨一剑。
格致校园第24期 | 2022年4月15日 北京
大家都知道，地球是一颗蓝色的星球，超过70%的表面都是海洋，但是人类目前已经探索的海底只有5%，还有95%的海底世界是未知的。
这片广阔的海域里面有什么呢？有大量的资源，大量的能源。比如这种多金属的结核，含有镍、钴、铜、锰等70多种元素，其储量高出陆地的几十倍到几千倍。
还有这种天然气水合物，俗称可燃冰。如果把它换算成甲烷气体，约为全世界煤、石油、天然气总储量的2倍，它有可能缓解人类发展遇到的资源和能源矛盾。
另外深海底部还有大量的冷泉和热液区，它有很多独特的生物链，这有可能帮助我们了解生命的起源是什么样子的。
▲ 从左往右，从上到下依次为：
要探索海底的神秘世界，最有效的方式就是进行深潜，尤其是载人深潜。全世界都在发展这种深潜的技术，中国也不甘落后。目前，我们国家是继美国、法国、苏联/俄罗斯、日本之后第五个掌握全海深载人潜水器建造技术的国家。不过与1964年就发展出“阿尔文”号的美国相比，我们的起步比较晚。
其中，“蛟龙”号在2012年才下潜到7000米进行海试，经历了10年立项、10年建造的过程。“蛟龙”号的作业能力也是非常强的，它已经能够覆盖全球99.8%的海域，但这里最重要的问题是：“蛟龙”号大部分的核心部件都依赖于进口。
为了解决这个困境，我们国家又启动了国产载人潜水器“深海勇士”号的研发，通过“以浅制深”攻克关键的技术。在2017年，“深海勇士”号也获得成功，完成了4500米级的海试。在“深海勇士”号获得成功之后，我们深海大团队就在想：能不能再挑战更大的深度，完成最后的0.2%，去摘取深潜技术皇冠上的这颗明珠？
来自万米海底压力的挑战
已完成：20% //////////
这个挑战可以说非常巨大。在“奋斗者”号立项之前，全人类只进行过2次冒险意义上的万米载人深潜，只有3个人到达了万米的深度。而同期人类已经进行了6次载人登月，有12个人登上了月球表面。可以想象，挑战万米的难度有多大。
▲ 马德堡半球实验
其中最大的挑战来自于深海的高压。历史上有一个非常著名的实验，叫马德堡半球实验，大家可能都在初中物理课上学到过：如果把两个37厘米直径的半球对在一起，将里面的气体抽走，需要16匹马才能把它们拉开，这就是1个大气压。
而在马里亚纳海沟最深的地方，我们面对的是1100个大气压，如果要做同样的实验，大概需要17600匹马——这个压力是巨大的。可以想象，深潜器的所有部件都要经受这种高压，其中就包括非常核心的浮力材料。
为什么我们要用浮力材料呢？因为浮力材料可以增加深潜装备的载荷，实现悬浮定位和无动力浮潜，并且延长作业时间。这个听起来可能比较学术一点。我可以通俗地讲一讲，如果我们把水比作成一种介质，那么我们就可以把它想象成空气了，因为空气也是这样的一种介质。
实际上人类第一次去探索天空的时候，就是搭乘这种热气球，依靠的就是浮力。因为用这种方式可以以最小的代价到天空上去探索。后来又发展出了更加先进的这种飞艇。
我们人类第一次下潜到万米水深的时候，采用了这种看起来“有点笨”的办法：装了一大桶煤油作为浮力材料，在煤油的底下绑了一个非常小的载人舱。通过这种方式，人类第一次实现了对万米海底的探索。
不仅煤油能够作为浮力材料，其实所有密度比水小的都可以叫作浮力材料，比如我们常见的这种泡沫，还有小朋友学习游泳用的浮板。
但是，这类材料的内部通常都有非常不规则的泡孔，所以它的抗压能力都比较差。而随着深度的增加，海水的压力会急剧地增大。
这里有一张照片，呈现的是我们以前海试时一项“保留节目”。我们会将很多一次性纸杯带到船上，在纸杯上写了我们的经度、纬度，航次信息还有实验信息，然后让纸杯跟着深海装备一起下到深海做实验。当纸杯返回船上的时候，我们可以看到，这么大的纸杯就被压缩成这么一点点大了，可见这个压力的巨大。
“小微球”：海底抗压的“秘密武器”
已完成：40% //////////
那么，怎样才能抗住海底的高压呢？
这就涉及到我们团队制造的“秘密武器”了——我们把它叫做固体浮力材料，就是上图所示的这种东西。
这种材料是由聚合物的基体，也是我们俗称的胶水，和一种叫做空心玻璃微球的材料复合制作而成的，这种“小微球”就是实现浮力材料又轻又强的关键。
▲ 空心玻璃微球（HGMs）是新型无机非金属球形粉体材料，接近理想粉体
“小微球”是一种新型的无机非金属球形粉体材料，尺寸和我们头发丝的直径差不多，但是它又是中空薄壁的球形结构。通过上图可以看到，“小微球”里有超过90%的空腔。
这种特殊的结构也给它带来了轻质、高强、隔音、隔热、化学稳定等优异的性能，非常适合用来做浮力材料的密度调节剂。
那么这种“小微球”是怎么制备出来的呢？国际上都采用传统的固相粉末法，通常是制作玻璃的方法，需要经过两次1000度以上的高温，同时产率和性能的调控性都比较差。如果沿着这条路线走，也许我们今天还没能做出万米深潜的“小微球”。
为了实现我们的目标，我们团队独立发展出了一种叫做软化学法的制备方法：通过化学反应来克服这种高温的过程，实现高性能空心玻璃微球的可控制备。
但是，要实现这个过程其实是不容易的，最开始我们提出软化学这样一种概念的时候，条件非常艰苦。大家可以看到这张历史照片。那个时候没有条件做实验怎么办？我的老师就把他自己家里面做饭用的煤气罐搬下来做实验。
▲ 通州农家院公斤级试验线
当概念走通之后，我们要进行放量，但是所里又没有相应的场地。我们就在通州租了一个农家院，进行一个公斤级的试验线。
这期间还有非常多的故事。如建设试验线需要买很多的仪器和设备。但是我们没有相应的经费支持，便先发展出固体酒精、不干胶这样的小技术，再将这些小技术转让之后得到的收益投入到生产线的建设中来。我们的团队就是有这样一个特点：认定这个事情可以做，就要坚持往下走。
有一点点希望之后，我们也做了大量的工作。从最开始飘浮的很薄的一层空心微球，到20%、到50%、到80%、到现在一次可以制备出超过95%的空心球。虽然整个过程只用这四张照片进行展示，但我们经历了10年。
右：500公斤级小型线
在此基础上，我们又进行了50公斤级中试线和500公斤级小型线的建设，这才为后面浮力材料的应用奠定了很好的基础。
有空心球其实是不够的，我们还要想到：空心只是解决了低密度这样一个问题，怎样才能实现更高的强度？
▲ 60%（12兆帕）
35%（12兆帕）
4%（12兆帕）
这是3张空心玻璃微球在光学显微镜下的照片。在第1张，我们可以看到它的球壳上有非常多的黑点，这是一种缺陷。在12兆帕（约118个大气压）的压力下，超过60%的“小微球”会破碎，这种微球肯定是不能用到深潜器上的。
我们通过不断的试验进行改进。在中间这幅图上，“小微球”球壳上的黑点明显减少了。在同样的压力下，它的破损率也降低到了35%，不过这个微球强度还是不够的。
我们又做了进一步的努力优化。到最后，我们可以看到第3张照片，它的球壳已经近乎完美了。拥有这样的结构，它的强度是非常优异的：在12兆帕的压力下，只有4%的破损率，这才为我们后续的应用奠定了一个坚实的基础。
虽然这里简单地用3张照片说明了整个的研制过程，但实际上为了得到第3张照片，我们团队又整整奋斗了10年。可以说，从最开始一个概念的提出，到最后“小微球”的应用，我们从1996年到2017年，整整经历了21年，可以说是二十年磨一剑。
▲ 4000米级在位比测155天，试验深度压力4132分巴（423.2个大气压），吸水率＜1%
而我是在2009年加入到团队的，基本上经历了后10年的研制历程。在这期间，我还3次前往南海进行浮力材料的海上实验，总计加起来有40来天，也首次获得了我们的浮力材料在海上的实验数据。
为国产潜水器提供“中国芯”
已完成：70% //////////
因为我以前没有出过海，所以海上实验对我来说也是一个比较大的挑战。
在这里我放了一个小视频，这是我们正常海上作业时的情况。大家可以看到，风浪还是比较大的，但是这已经属于非常好的情况了。因为风浪再大一点，我们就没有空余的手去拍视频了。好在实验的结果还是非常好的，对我们的鼓舞也很大。
实验结束之后，我们要把实验的样品装到深潜器上，其实这也是不容易的。在这个过程中，我们又经历了3年，有20多位同事投入到这项研究中来，做了超过1000个配方实验，才最终使得“深海勇士”号在2017年完成了实验。
“深海勇士”号（4500m）
“蛟龙”号（7000m备件）
“奋斗者”号（全海深） 10909m（2020.11.10）
沧海/凌云号全海深着陆器 10899m（2020.5.17）
“海斗一号”全海深潜水器 10907m(2020.6.8)
悟空号全海深潜水器
完成“深海勇士”号之后，我们又紧急进行了万米级浮力材料的攻克。有了前面的基础，后面的路看起来走得比较顺利，但这个时候最大的难题是时间。好在我们团队非常的团结，在大家的共同努力下，我们给很多万米级的国产潜水器提供国产核心材料的支撑，当然其中最重要的就是“奋斗者”号。
前面我有讲到，在“奋斗者”号立项之前，只有3个人到达过马里亚纳海沟的深度，而我们“奋斗者”号第一次下潜，就有11个人承担了下潜任务，这个还是让我比较自豪的。
上面这些是“奋斗者”号首次海试时的一些数据，这些数据在当时都创下了全世界的新记录，取得了非常大的成就，对此我们团队也非常骄傲。
这里还有几张照片，是我的好朋友、也是“奋斗者”号的潜航员刘烨瑶老师发过来的海底的实际照片。我相信，如果在万米的海底，在潜水器里看到这样的情景，一定非常震撼。
还有两张动图，展现的是深潜器的机械手取样的状态。可以看到，我们的机械手还是很灵活的。在很深的海底，它可以很轻松地把岩石的样品放进采样篮中，拿回到岸上，由我们进行相应的研究。
当然，我们的机械手也可以抓一些海底的生物，比如螃蟹、海参之类的。当然有时候也会没有那么灵活，还有改进的空间。
我的演讲就到这里。在这里，我还要特别感谢我们微珠新材料制备及应用技术的团队，感谢大家为中国载人深潜事业做出的努力！
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