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“小微球”的强国梦

分类:专题 作者:张斯絮 整理时间:2021-04-03期刊:《读者》2021年8期 阅读数:人阅读

马里亚纳海沟,是人类已知的海洋最深处。

2020年11月10日,中国“奋斗者”号全海深载人潜水器在马里亚纳海沟成功坐底,坐底深度10909米。这是中国自主研制的潜水器第一次把3名中国人送达地球的“第四极”,而“奋斗者”号也是人类历史上第四台抵达“挑战者深渊”的载人深潜器,更是其中能力最强、技术最先进的一台。

“奋斗者”

2020年11月10日,一个普通的工作日。与往常一样,严开祺一大早便来到自己在中国科学院理化技术研究所的办公室。但与往常不同的是,他没有第一时间着手科研实验,而是打开了一场视频直播的链接。

或许网友们更关注“奋斗者”号下潜到了多少深度,而严开祺更关心的是它运行是否平稳,状态是否良好。“虽然我们的浮力材料已经通过了实验室里模拟深海环境的大量考核,但真正到达那个深度的时候,心还是悬着的——直到水下传来‘万米的海底,妙不可言’的音频,我才意识到,我们成功了!”

正如有评论所言,“比万米海底更妙不可言的,是‘奋斗者’号的国产标签”,从2012年“蛟龙”号下潜7062米,到2020年“奋斗者”号创造10909米载人深潜新纪录,中国的深海探测技术实现的不仅是从4位数到5位数的突破,更是从“国产化”到“国产”的壮举。

很多人都没有想到,在这一领域率先打破发达国家技术封锁的,竟是一支完全由本土科研工作者组成的团队。严开祺说,当年研究生毕业,许多同学选择出国深造。正是导师张敬杰的教导——“关键核心技术要不来,买不来,求不来”,让他留在了这个不算热门的“微珠材料制备新工艺及其应用技术”研究组。

从提出新理论,研制新设备,到主动担当海试重任,长期驻扎北京通州、河北廊坊等实验基地,严开祺和同事们一路走来,已经初步开启国产深潜浮力材料规模应用的新局面,成为中国万米潜水器背后最坚实的奋斗者。

2020年12月15日,共青团中央、全国青联发布《关于授予“奋斗者”号全海深载人潜水器科研团队和个人“中国青年五四奖章”的决定》。中科院理化所项目研究员严开祺荣获“中国青年五四奖章”。

一毕业,就出海

“我们常说做科研,无外乎两个目标,要么上书架(形成新的理论),要么上货架(研发新的产品)。”

“奋斗者”号载人深潜器准备下海

忆及当年的保研经历,严开祺坦言自己是在了解理化所微珠团队的研究方向后,毅然投至张敬杰老师麾下的。“这个方向既有基础研究又有产业化,而且是跟国际最顶尖的团队在赛跑,我想接受这样的挑战。”

万米海底的压强,相当于一万只大象站在一平方米大小的地面上。此时,深潜器想要通过母船的拉力或者自身的动力实现上浮,宛如愚公移山。只有依靠一种又轻又抗压的材料,才有可能在深潜器完成水下作业抛载之后,实现无动力上浮。

这种被视为深潜器六大关键技术之一的固体浮力材料,由空心玻璃微球加上树脂基材通过混合和热固化形成,其中空心玻璃微球是关键。20世纪50年代,美国、日本、俄罗斯开始研制空心玻璃微球,高性能产品至今仍对我国设限。而我国从20世纪90年代开始“白手起家”,老一辈研究员宋广智、张敬杰采用全新的技术打通了“软化学”法制备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。

“这是一条完全自主的技术路线,意味着一切都是未知。”在缺少文献和经验借鉴的情况下,想要获取最可靠的一手数据,海试很重要。

2012年夏天,严开祺硕士毕业后留在课题组工作。他主动承担了海试的任务,报名科技部资助的规范化海试航次,作为课题组中的海试“第一人”三赴南海。

在甲板上作业,充满着不确定性。“你永远不知道下一次的浪从哪里来,稍有不慎,就可能被海浪打翻在地。”严开祺负责的是与浮力材料相关的潜标布放、回收,在他的回忆里,每一次作业都非常紧张,以至于留下了“没拍过一张工作照”的遗憾。

“从没想到(一次出海)七八天会那么难熬。”没有手机信号,饮食供给有限,严开祺说,“越到后面,那种孤独、寂寞,甚至是恐惧感越强烈……每次出海我都会瘦好多。”

但正是通过这种方式,在长时间的海试验证中,他们自主研制的样品吸水率小于1%,性能达到国际先进水平。

栽好梧桐树,凤凰自然来。2014年年底,一个偶然的机会,严开祺和导师张敬杰在参加中科院“先导科技专项”立项评审的时候,遇到了“蛟龙”号总设计师徐芑南院士。“徐院士看到我们的海试样品,非常高兴,马上安排人与我们对接。其实此前他们已经找了很多单位,但浮力材料的问题一直没有解决。就这样,我们紧急加入了‘深海勇士’号的攻关。”

从样品,到产品

走进中科院理化所严开祺所在团队的实验室,上百平方米的空间里摆满了各式各样的精密仪器。然而,要完成工程化的指标,把以克为单位的样品量产到上百公斤级,这里远远不能满足需求。

2015年,为了完成为我国第二台载人深潜器“深海勇士”号提供浮力材料的任务,理化所紧急为团队调配了河北廊坊园区场地,并由中科院院长特别支持基金和理化所所长基金匹配了部分经费。

那几年,严开祺和同事们几乎是驻扎在实验基地,度过了最热的伏天和最冷的寒冬。“暖气不足,车间很冷,我们都是裹着军大衣、大棉袄在现场操作。因为实验涉及粉尘之类,所以每个人出来,头发全是白的。”

然而比起环境的艰苦,更让严开祺记忆犹新的是科研上的艰辛。“为什么我们现在发表的论文数量在国际上数一数二,但转化成生产力的却没有那么多?因为样品和产品完全是两码事——为了做一个样品,我可以精挑细选。在100个里面,有一个成功就行了。但要做成产品,这100个里面至少有95个要成功,而我们要做到100%。”

谈及前期的状况,张敬杰曾说“失败一个接着一个,废品如小山般堆积,每天都在打击中度过”。在那两三年间,严开祺经常睡不好:“连做梦都在想这个事情,是哪里没有做到位,哪里设计不合理?为什么总差那么一点点?”

记者问:“那一点点指的是什么?”

严开祺答:“就是头发丝那个量级的小微球的耐压强度。”

后来,大家开始咬着牙逼自己“慢下来”。“一种原材料一种原材料地去分析、计算、设计,对关键的工艺设备挨个进行参数调整、改造和升级……终于在某一天,找到了关键突破点。一旦跨越那个阶段,研制工作就变得轻松一些了,每天都能获得一点小突破,终于又找回了成就感。”

就在当年廊坊基地紧张攻关的阶段,严开祺家里还发生过一件“惊险”的大事。“那天我正做着实验,突然接到妻子的电话,她要临产了!幸运的是,当时所里有位老师开了自己的车到廊坊,我赶紧请他帮忙把我带回北京。匆匆忙忙赶到医院,签完字,我的大女儿已经出生了。”

说到家人,如今儿女双全的严开祺满心感恩。“我确实没有很多时间、精力照顾家庭,而他们用实际行动支持了我的事业。”

2016年12月,团队按时交付了固体浮力材料,助力“深海勇士”号国产化率达到95%。在女儿生日的时候,严开祺将他最为珍视的“深海勇士”号参研参试人员纪念牌和小模型送给了她。

在严开祺心里,这就是他送给孩子最好的礼物。

科学家们的工程化“洗礼”

2017年,严开祺开始担任“奋斗者”号全海深载人潜水器结构系统的副主任设计师。

为什么让这位当时在团队中最年轻、资历最浅的“85后”助理研究员担当如此重要的角色?团队负责人张敬杰研究员回答,这个“副主任设计师”不是荣誉,而是责任,而且责任很大。个人基本功扎实、科研素质高,有开阔的视野、有很强的学习能力,才有可能在完成分内工作的同时,协调各个方面,对接工程总体,了解结构系统其他方面的需要,再返回来消化好他们对我们的各项指标要求。

而在严开祺看来,参与这样的国家战略性重大工程,对于科学家不啻为一场“洗礼”。

“科学家的精神是追求极致,为此会去不断地优化、超越。而参与工程以后就不一样了,我们要把自己当成螺丝钉,要和其他各个环节去匹配。在这个过程中,我要去扭转大家的思维——性能一旦定了,你低了不行,高了也不行,要尽可能地做出一致性和稳定性来。”

于是,仅仅是为了达到小微球的指标,他们就做了上千次实验。研制出小微球之后,再与团队里潘顺龙博士、廖斌博士研制的高性能基材进行匹配,又是上千次实验!

2020年年末,“奋斗者”号第13次完成下潜任务,除了刷新10909米的世界下潜深度,还有另一历史时刻令万众瞩目——实现全球首次万米海底的实时直播。2020年11月13日,辅助广大网友打卡地球“第四极”的,其实还有“奋斗者”号的两位好“帮手”——“沧海”号和“凌云”号。这两部同时坐底的深海视频着陆器就是“奋斗者”号的专用摄影和打光。这背后,是严开祺在研制“奋斗者”号的同时,又组织的一支突击小分队。他和同门师弟廖斌博士为包括“沧海”号、“凌云”号等在内的我国万米集群无人潜水器,研制出了更低密度的全海深浮力材料,从而推动我国跻身具有全海深探索能力的国际第一梯队。

严开祺相信,“奋斗者”号的研制成功,一定可以带出很多产业来。就以他们主攻的空心玻璃微球为例,这种材料不仅可以用在几乎所有的轻量化产品上,而且在隔热、隔音、耐高温、耐磨等领域,都有着广泛的应用。

既服务于国家的战略,也面向市场的需求。为了实现新材料的多功能化,一方面要布局相关的基础研究,另一方面要把新技术产业化。严开祺说:“未来的路还很长,就像团中央的表彰辞所说,唯坚定者,方可行稳致远。”

(平 野摘自《中国青年》2021年第2期)

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