探索新知，為大國重器嵌入玲瓏“玻璃心”
——記中國科學院西安光學精密機械研究所高通量輻射防護材料與技術學科負責人王鵬飛研究員

關 弋 蔡巧玉

公元前，古埃及和正處戰(zhàn)國時期的中國便開始制造玻璃。最初，這種從天然晶體中衍生出的新材料并沒有被賦予過多的使命，直到13世紀人們也不過是將其制作成眼鏡或鏡子，“點綴”在日常生活里。但偉大的哲學家恩格斯卻在“自然辯證法”中對這項發(fā)明給予了極高的評價，稱其為“當時最卓越的發(fā)明之一”。事實證明，這一評價實至名歸。玻璃材料的革新在光學技術的迭代與迅猛發(fā)展之下，實績尤為突出——從16世紀開始玻璃就已成為制造光學零件的主要材料，二者相輔相成，為工業(yè)、國防事業(yè)作出了不可磨滅的貢獻。

近日，中國科學院西安光學精密機械研究所光子功能材料與器件研究室中再傳捷報——高通量輻射防護材料與技術學科負責人王鵬飛及其課題組研制出了寬譜高效電磁屏蔽光學窗口元件。這款光學窗口元件在1～18GHz范圍內的電磁屏蔽效能平均數值超過50dB，可見光-近紅外透光率大于80%。這意味著各用途電子儀器儀表顯示屏、飛機和車輛視窗、光電探測器系統(tǒng)，以及在微波和電磁脈沖輻射環(huán)境下保障光電儀器設備正常工作的核心功能件的效能將更上一個臺階，但其制備成本卻不升反降。這一成果的出現對相關材料、鍍膜、電磁、光電等學科的交叉創(chuàng)新與持續(xù)發(fā)展起到了重要的推動作用。

心若凌云，清風自來

“堅持做一個優(yōu)秀的人、一個對社會有益的人?！边@句話曾被王鵬飛寫入自己的學位論文，這是曾經的他對實現個人價值和社會價值的樸素要求。如今，他在中國科學院西安光學精密機械研究所（以下簡稱“西安光機所”）已經耕耘了十數年之久，且建樹頗豐。但回溯昨日，他仍表示：“不敢說這個目標已經實現了，我僅可以確定的是‘初心未改，我仍在路上’。”誠然，真理的波濤一經噴涌就奔流不息，理想的火焰一經點燃就不會熄滅。王鵬飛對于材料學的熱愛不是一蹴而就而是日雕月琢，“踏實”“執(zhí)著”“肯干”“淳樸”……是身邊同仁對其性格打上的標簽。不過，多年前在新世紀的鐘聲下將材料學選填為本科專業(yè)的青年不會料到，自己與此研究領域的緣分竟然如此之深。

王鵬飛

從學生時代起，王鵬飛就很想為自己的專業(yè)“正名”?！安牧蠈W專業(yè)頂著‘四大天坑之一’的帽子太久了，其實這都源自專業(yè)所呈現出的某些負面表象——學習難度大、感覺就業(yè)前途渺茫等。一旦進入這個專業(yè)認真地學進去，就會發(fā)現其實它的覆蓋面極為廣闊，而且隨著研究愈發(fā)深入，成果的價值也會愈發(fā)不可估量——因為基礎科學決定‘上層建筑’，一代材料升級一代器件，一代器件更新一代裝備?！闭沁@種清晰而堅定的認知使得王鵬飛在無機材料學專業(yè)一待就是近十年，從江西理工大學攻讀本科輾轉至天津大學攻讀博士，他從未想過轉換賽道?！爱斎?，這與我遇到了一位杰出的導師息息相關。”他補充道。

研究生期間，國內超硬材料磨料磨具領域的著名專家李志宏教授對王鵬飛的言傳身教令他受益匪淺，銘記至今?！袄罾蠋熝芯康某膊牧夏ゾ呤蔷芙饘俨考ハ骷庸さ暮诵模鉀Q了工業(yè)領域很多實際的問題。跟隨李老師，我在研究生階段參與了一些高技術陶瓷的研究項目，這些寶貴的經驗對我今后的研究藍圖產生了深遠的影響，讓我更看重研究工作能否對社會發(fā)展產生積極的推動作用。”這也是王鵬飛選擇進入西安光機所的原因。

2010年是王鵬飛踏入西安光機所的第一個年頭，這所堅持面向世界科技前沿、國家重大需求與國民經濟主戰(zhàn)場，以創(chuàng)新驅動發(fā)展，開創(chuàng)性探索科技體制機制的科研院所，正在打通科技成果產業(yè)化的“接力棒”體系，致力提高科學技術的轉移轉化效率、速度和產業(yè)化質量，但王鵬飛研究生涯的開端卻沒有如院所的發(fā)展腳步那般順利。

首先考驗王鵬飛的便是“轉向”問題。博士畢業(yè)之際，他仍堅守在高技術陶瓷領域，但面向國家需求、發(fā)展大潮，工作的實際要求需要他主攻光學玻璃?！靶叶跓o機材料里，玻璃陶瓷不分家，其間的跨度并不算大?！奔幢闳绱?，科研的嚴謹性還是為這個初出茅廬、一腔熱血的年輕人帶來了長達半年的“冷靜期”。在王鵬飛的回憶中，充盈在初期工作時光里的是分析不完的數據和閱讀不盡的案卷。不過，其間雖然有急于實踐的焦躁時刻，但他仍然將閱讀梳理工作完成得很好，且樹立了“項目未立，知識襯底”的研究思路，這在今后為他形成沉著、細膩的科研品質奠定了極佳的基礎。參加工作很久后，王鵬飛才得知，那段時間其實也算是所里前輩、恩師陸敏悄悄“考察”他的時期，正是通過他堅定自若的表現，陸敏老師才認定他是一個可以信賴、值得栽培的接班人，繼而給予了他關于光學玻璃制備工藝的不嗇指導和傳幫帶，使他在西安光機所材料中心飛速成長為科研骨干。

“心有凌云志，清風生自來”的道理被王鵬飛詮釋得淋漓盡致，而他也在那段“苦其心志”的經歷中與西安光機所達成了完美的雙向奔赴，“可以說，西安光機所是我立志成為一名材料人的夢想搖籃，既增長了我的科研視野，也錘煉了我的科研素養(yǎng)，這使我對所里的感情越來越深，十幾年來從沒有動過離開這里的念頭”。

西安光機所光子材料室特種玻璃與光纖研究團隊部分成員合影

只問使命，無問西東

日日行，不怕千萬里；時時做，無懼千萬難。工作中的王鵬飛正是如此。2010年，進所不到一年的他就被委以重任，參與了國家重大專項之一，高損傷閾值激光玻璃材料相關課題。據他介紹，我國在特種玻璃領域的新需求于2008年開始呈井噴式遞增，相關研發(fā)布局也是在那時就埋下伏筆。面對國家如此緊迫且重大的應用需求，王鵬飛絲毫不敢掉以輕心。為了照看玻璃熔煉實驗，他曾在2010年1月至2012年6月近一年半的時間里，幾乎吃住都在熔煉車間里。但即便是這樣，困難和挑戰(zhàn)還是不期而至。

困擾王鵬飛最久的當數玻璃高溫熔制和成型問題，其中最重要的一個環(huán)節(jié)就是陶瓷坩堝與金屬的封接。高溫下玻璃的黏度很小，很不穩(wěn)定，非常容易出現意外，而高損傷激光玻璃恰恰需要在極高溫環(huán)境下才能完成熔煉，其風險不言自明。

“封接實驗初期的一個夜晚讓我記憶猶新，”王鵬飛講述道，“我在玻璃熔煉爐前觀察時發(fā)現封接實驗并沒有完全成功，熾熱的玻璃溶液從坩堝底部汩汩滲出，但這時候我們是回天乏術的，因為沒有方法可以阻滯這種滲漏，只能任由溶液沖破封口流到管壁之外。當如同火山熔巖般的玻璃溶液在我們眼前發(fā)出白色、刺眼的光時，就是采取導流措施的關鍵時刻，不管多燙、多刺眼也必須采取行動，將危險和損失降到最低。我清楚地記得，我們當時是用一個事先備好的U形槽鋼做的導流槽將玻璃液導流到水桶里，極端高溫加上幾十公斤的玻璃液，最后都把桶里的水加熱到沸騰了?！北M管時隔多年，每個微小的環(huán)節(jié)在王鵬飛口中仍然如昨天剛剛親歷般清晰，這是因為在實驗結束后，他曾多次總結、復盤當時的失敗因由，力求不要重蹈覆轍。但科研的本質終歸是在未知領域中幾經摔打，用99%的失敗經驗去換取那珍貴的1%的成功概率。在經歷了無數次的失敗與挫折之后，王鵬飛團隊最終突破了330mm口徑紫外光學元件熔制、成型的關鍵技術瓶頸，為高損傷閾值紫外元件研制添了頭彩。他們而后又成功制備出近半米（470×470mm）口徑的紫外光學元件，為高損傷閾值激光玻璃項目的接續(xù)推進鋪就了堅實的階梯。

“無論成功還是失敗，這些實踐經歷都讓我從中獲得了成長?！蓖貔i飛的心態(tài)始終平穩(wěn)而豁達，唯一的例外是沒有親眼見證女兒的出生，這件事幾乎成為他終生的遺憾，“當時正值科研攻關的關鍵時刻”，科研者的使命感讓他無法放下手頭的工作，只能在之后給予妻女更多的陪伴。令人感動的是，家人也對此給予了足夠的支持與鼓勵，甘做幕后的英雄，讓他得以在工作中全心投入，只問使命，無問西東。

賡續(xù)血脈，馭勢者勝

2010年進入西安光機所，2014年開始，王鵬飛就正式牽頭負責高損傷閾值激光玻璃和耐輻照光學玻璃的配方研制和工藝攻關等項目?！耙伎嫉膯栴}變得更加深入，對方向的把握也需更加全面和準確，這就要求我持續(xù)不斷地輸入前沿理論來充實自己?！蓖ㄟ^廣博的閱讀和吸收，他發(fā)現無論是美國的國家點火裝置（NIF）、法國的兆焦耳激光裝置（LMJ），還是我國的神光系列強激光裝置，其中都大量使用了高損傷閾值的激光玻璃材料。換句話說，激光玻璃在主放大模塊和終端紫外光學元件的選材體系中有著舉足輕重的地位。目前，終端紫外光學元件大多以熔石英作為基材，熔石英雖然有著較高的體損傷閾值，能夠對抗紫外強激光輻照，但其后表面損傷增長閾值較低，所以紫外激光損傷問題一直是限制激光聚變裝置負載能力提升的關鍵影響因素之一。

于是，圍繞激光聚變驅動光源系統(tǒng)的創(chuàng)新設計對新型紫外激光元件的內在需求，王鵬飛帶領團隊開展了具有高損傷閾值、對三倍頻紫外光高透的新型紫外激光玻璃研制工作。他們經過不懈的努力，最終得出了低含氟的氟磷酸鹽玻璃可以達到指標要求的結論，并發(fā)現氟磷玻璃在被高能激光輻照時，會以體發(fā)光的方式將一部分材料吸收的少量激光能量快速散發(fā)出去，避免過多熱堆積而導致玻璃產生熱致和機械損傷，這一點極其巧妙地滿足激光聚變光學元件對于抗激光損傷能力提升的需求。

此外，站在更為高遠的視角上，我國航天和核工業(yè)相機面臨的材料難題也被王鵬飛團隊精準捕捉?！案咂焚|和大尺寸的耐輻照光學玻璃仍需依靠進口，這樣下去絕非長久之計。”因此，他與背后的特種玻璃材料研發(fā)團隊再次起航，針對航天領域長壽命光學系統(tǒng)抗輻射加固的迫切需求，研制了耐受中等輻射劑量（104～105rad）的新型耐輻照系列玻璃。成果突破了大尺寸、高品質耐輻照玻璃關鍵制備工藝和光學參數精準控制技術，為高性能空間和核輻射光學系統(tǒng)的抗輻射性能加固提供了核心材料支撐，使西安光機所在國內率先實現了長壽命耐輻照光學產品——長壽命星敏感器的突破，且太空使用壽命達國際同等水平（15～25年）。當下，這一研發(fā)成果被大量應用于我國多個重要領域，長壽命星敏感器為國內90%以上衛(wèi)星提供導航技術支持，保障載人航天、探月工程、火星探測等航天工程順利實施。

“中國在特種玻璃與光纖領域的發(fā)展勢頭很強勁，從玻璃材料、光纖制備、器件加工、激光器系統(tǒng)的全鏈條上都已經發(fā)展出了獨特優(yōu)勢?？梢悦鞔_的是，我們并不缺乏新材料的前沿理論和基礎研究。作為中國科學院這支國家戰(zhàn)略科技力量主力軍中的一員，如何瞄準我國國防、工業(yè)等技術發(fā)展需求，主動擔當、積極作為，以國家重大需求應用為導向突破核心材料研制，突破高品質材料制備技術，助力國家高質量發(fā)展和高水平科技自立自強，才應該是我們接下來的聚焦重點。”王鵬飛沉著的布局與堅定的敘述，透露出了其賡續(xù)西安光機所紅色血脈的決心和持之以恒的勇氣。誠然，崢嶸過去已彪炳史冊，璀璨當下正在不斷延伸，光明未來仍需篤行開拓。時代已經為如王鵬飛一般的科研人列出了考題，大國重器的玲瓏“玻璃之心”最終能否抵擋住大國博弈之下的風霜，他們的答案正在書寫，人們只需拭目以待。