青少年科技素养提升计划探索玻璃的“魔法世界”

“小透明”有大用途!2024年3月22日14:00,由中国下一代教育基金会与中国平安共同主办、科技日报社媒体支持的青少年科技素养提升计划“科技燃梦•科技型企业开放日”主题直播课,走进中国建筑材料科学研究总院有限公司(以下简称“中国建材总院”),揭秘了玻璃这一应用广泛的材料是如何成就上天入地的大国重器的。来自全国27个省、市(自治区、直辖市)的上千所项目乡村小学的师生们与广大网友共同观看了此次直播课,全网观看量超403.8人次。

(甘肃、贵州、云南各地乡村小学项目校学生观看直播课程)

揭秘“龙虾眼”镜片,了解光纤传像材料大家族

2020年7月,“龙虾眼X射线探测卫星”成功发射,成为国际上首个应用龙虾眼X射线聚焦技术的在轨探测器。直播课中,研发工程师焦朋向同学们介绍了“龙虾眼”镜片的设计灵感就是来自大家吃的美味的小龙虾的眼睛,并通过一组趣味的实验演示,让同学们了解到“龙虾眼”镜片的工作原理。据介绍,“龙虾眼”镜片通过微型管道多次反射X射线,实现了小尺寸大视角的探测,提高了角分辨率和探测效率,这能精确判断高能粒子射线的来源位置,对太阳活动、天体运行、暗物质和黑洞探测有着重要意义。同学们通过焦朋的讲述还了解到,尽管“龙虾眼”镜片设计始于1979年,但制造过程中却遇到了诸多挑战,如材料设计、光纤排列、热弯工艺等,特别是龙虾眼结构的微孔排列和成型,需要精确到头发丝十分之一粗细的级别,对材料和工艺要求极为严格。科学家们最终经过反复实验和工艺改进,成功制备出了性能优越的龙虾眼结构镜片,并将其应用到天文探测器中。

(焦朋老师向大家讲解“龙虾眼”镜片的工作原理)

“龙虾眼”镜片还是光纤传像材料大家族中的一员,本次直播课程中,焦朋老师还向同学们展示了这个家族中其它具备独特技艺的成员:光纤光锥,像一个神奇的光学变形术士,能够把图像或文字放大或缩小,主要应用领域是微光夜视成像和摄像;有趣的光纤倒像器,能将正面的图像或文字倒转180度,倒转后的图像十分清晰且不发生畸变;还有仅0.38毫米厚的微通道板,它通过具有特定角度的微孔阵列让电子在通道内壁不断碰撞前进,实现了电子倍增效应。焦朋老师现场展示了士兵佩戴的夜视仪,让同学们体验了即使在伸手不见五指的黑夜中,借助微光夜视仪也能看得很清楚。

石英革命:从0到N的创新之旅

石英玻璃,被誉为“玻璃之王”,因其独特的性能和广泛的应用而备受重视。石英玻璃杯外观与普通玻璃杯相似,如何进行分辨呢?高级工程师符博在直播中教大家识别,经过敲击,相较于普通玻璃,石英玻璃的声音更加绵长。据符博介绍,其中原因在于普通玻璃的主要成分是纯度为70%左右的二氧化硅,而石英玻璃主要由高纯度的二氧化硅制成,其纯度可达到99.99%甚至更高。“就好比黄金,普通玻璃像是K金,石英玻璃则像是999足金,纯度远超普通玻璃。”符博说,这种高纯度和稳定的分子结构赋予了石英玻璃优异的性能,如良好的紫外和红外区域透过性能、出色的热稳定性、耐强酸性以及低热膨胀系数等。石英玻璃不仅能适用于特殊光学设备,还能在极端温度和化学环境下保持稳定。这些特性使得石英玻璃在各个领域都能发挥重要作用,从大国重器到日常生活,它的身影无处不在。石英玻璃的神奇世界,让同学们纷纷表示大开眼界!

(符博老师向大家讲解石英玻璃的广泛应用)

符博老师还向同学们介绍了石英玻璃充满了创新与挑战的研发故事。自1957年起,中国建材总院不断创新石英玻璃技术。1983年,在顾真安院士的带领下成功研制出国产滤紫外石英玻璃,提前美国通用公司十年应用于石英强光源。1993年,成功反驳美国GE公司在中国申请的发明专利,保护了国家石英玻璃生产权益。石英玻璃作为关键材料,未来将向更大尺寸、更高纯度、更高精度和多功能化发展,缩小与国际差距。

“第一玻璃”背后的感人故事

中国建材总院被称为“新中国建材科技的摇篮和发源地”,直播课中,政工师王源源带大家一睹新中国“第一块汽车防弹玻璃”的“真容”:“第一块汽车防弹玻璃重量超过169公斤,厚度达到7.5厘米,相当于现在普通汽车玻璃的十倍。毛泽东同志曾亲自关心也曾亲自乘坐装有这块防弹玻璃的红旗轿车。”王源源说,在当时的历史条件下,没有良好的制造玻璃方式,只能使用耐火材料组成一个大型坩埚,在大坩埚里进行玻璃的熔制。当时项目保密等级很高,没有任何评奖,甚至都不被列入单位科研项目、科研成果,但中国建材总院的科技工作者始终怀揣荣誉感、使命感,将祖国的利益永远放在第一位。

(王源源老师向大家展示新中国“第一块汽车防弹玻璃”)

王源源老师还给大家讲述了“第一根无碱玻璃纤维”“第一块玻璃钢板”等其他“第一玻璃”背后的感人故事。

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