自從戴上口罩，走在路上就多了一個動作：用手按壓口罩上鼻梁兩側(cè)的金屬條。尤其是在冬天，因為自己呼出的熱氣會順著口罩與臉的縫隙爬到眼鏡里面，在鏡面上如漲潮一般留下一層水滴，即產(chǎn)生霧氣；幸運的話，霧氣很快“退潮”便會散去。但如果你不得不從外面走進地鐵站，你會發(fā)現(xiàn)眼鏡的外面也被覆蓋了一層霧。眼鏡起霧其實是由于眼鏡與周圍空氣存在溫差，而使水蒸氣冷凝為水的過程。值得一提的是，鏡片上原本還有幾層額外的膜，以減少反射、防水防油防藍光等，它們往往屬于疏水材料，使水很難粘濕鏡面，從而形成水滴。這些小水滴會使入射光向四面八方散開而導(dǎo)致人看不清。
這時，如果被動地等待眼鏡上的水滴蒸發(fā)以消散霧氣，你也許要頂著這樣一副朦朧的眼鏡繼續(xù)往前走幾分鐘。但除此之外，你還能做些什么？
迪莫斯·普利卡科斯（Dimos Poulikakos）是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院熱力學(xué)系的主任，也是該校新興技術(shù)熱力學(xué)實驗室的創(chuàng)始人，主要從事界面和熱力學(xué)相關(guān)的研究。普利卡科斯和同事對眼鏡起霧這件事非常感興趣，從大約6年前就開始思考如何開發(fā)一種新的眼鏡涂層。他們期望這種涂層既能快速除霧或防止起霧，又能與現(xiàn)有技術(shù)相匹配來實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。最近，普利卡科斯的團隊在《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志上發(fā)表了他們的最新成果。
【資料圖】
01
讓眼鏡自己加熱？
這項新技術(shù)的特殊之處在于，它模仿了車后窗的除霜器。有車的人應(yīng)該知道車后窗玻璃上的一條條橫線其實是電熱絲，目的是通電加熱來加快蒸發(fā)，以達到除霜/霧的效果。不過，相比于人為主動地提供能量（如電能），普利卡科斯和同事想到，可不可以在日常環(huán)境中（有一定的光照），就能讓鏡片的部分區(qū)域自行加熱以減小溫差，從而防止霧氣的產(chǎn)生或加快除霧的速度？
“人們通常會用深色表面來吸收光，以將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊！逼绽扑箞F隊的一位博士生埃夫斯特雷克斯·米特里迪斯（Efstratios Mitridis）說道。但我們知道眼鏡必須得足夠透亮，所以他們需要設(shè)計特殊的透明涂層，**使其既具備足夠高的透光率，也能實現(xiàn)類似于深色表面的效果：**吸收足夠多的紅外線來提高物體溫度。
科學(xué)家已經(jīng)知道，對于金屬納米顆粒（可以看作一種特殊的等離子體）而言，當金屬表面自由電子的振蕩頻率與入射光的頻率相當時就會產(chǎn)生共振，因此會對相應(yīng)波長的光產(chǎn)生很強的局部吸收作用，同時讓其他波長的光透過。其共振頻率往往出現(xiàn)在可見光波段內(nèi)。
如今，在人為制造的一些光學(xué)超材料中，科學(xué)家往往會將特定形式的納米粒子嵌在不同的表面上，并通過堆疊形成一類多層結(jié)構(gòu)。他們可以調(diào)整納米粒子的大小、位置和方向，或者改變每一層納米粒子的厚度，以調(diào)控光與納米粒子之間的相互作用，從而讓材料表現(xiàn)出不同的光學(xué)性能。例如，使等離子體共振頻率拓寬到近紅外波段。這也是普利卡科斯的團隊最終選擇的一種策略。
這支研究團隊的思路：制備一類超材料涂層使盡可能多的可見光透過，同時盡可能吸收更多的近紅外光。圖片來源：參考文獻[1]
沿著這種思路，他們在2019年第一次報道了他們所制備的涂層，它由一層二氧化鈦與一層金納米顆粒交替重復(fù)堆疊而成。“我們的涂層會吸收太陽光中的紅外線以及一部分可見光，”這項研究的第一作者克里斯托弗·沃克（Christopher Walker）說，“吸收的光會被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋！边@可以使鏡片的溫度提高3~4℃，從而縮小導(dǎo)致眼鏡起霧的溫差。這項研究發(fā)表在Nano Letters雜志上。
但是，這一版本的涂層的可見光透過率僅有約36%，吸收率則達到了約30%~40%（以可見光為例，可見光的透過率+吸收率+反射率=1）。這很有可能會影響鏡片的透光率，以及最終的清晰度和失真度。因此，在接下來的3年里，普利卡科斯和同事一直在試圖優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，以尋找光學(xué)效果更好的眼鏡涂層。而性質(zhì)的突變會出現(xiàn)在哪里？
02
納米金薄膜
逾滲閾值（percolation threshold）以及逾滲現(xiàn)象常常會用在導(dǎo)電復(fù)合材料中，這種材料有一個非常重要的特征：它們的導(dǎo)電率會隨導(dǎo)電粒子體積分數(shù)的增加呈非線性遞增，并且在某一個臨界值突然增大，變化幅度可達10個數(shù)量級以上，然后呈非線性遞減。
根據(jù)產(chǎn)生逾滲現(xiàn)象的原因，我們或許可以推測，隨著納米金濃度的增加，當這些納米金形成某種連續(xù)網(wǎng)絡(luò)時，材料的光學(xué)性質(zhì)就突然迅速增加了。這支研究團隊就是這么想和做的。他們想要利用這種逾滲概念，找到眼鏡涂層的光學(xué)性能閾值。
相比于2019年用過的金納米顆粒，他們這次選擇用一種傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)工藝，制備納米金的薄膜。按照他們的說法，當金沉積在基板上時會先形成島，但這些島尺寸較小且彼此獨立，難以發(fā)生集體共振；隨著更多的金沉積，這些島之間就會實現(xiàn)電氣連接，成為一個更大的、相互連接的網(wǎng)絡(luò)。
實際上，這層納米金的薄膜被夾在兩層二氧化鈦之間，當納米金薄膜的厚度為 4.75 納米時，這種結(jié)構(gòu)的材料擁有最大的近紅外光吸收率——約36.9%，同時具備較高的可見光透光率（67.1%），并且?guī)缀醪晃湛梢姽狻e例來說，近紅外光吸收率=吸收的近紅外光/吸收的入射光。
更重要的是，這種新涂層甚至可以在1個太陽光的輻射（經(jīng)過計算，物理學(xué)家已經(jīng)證實，地球上太陽光輻射的功率密度約為 1000 瓦特/平方米，因此將其簡稱為1個太陽光輻射）下使眼鏡升溫8.3℃；即使是在0.6個太陽光輻射下也能升溫5.4℃。
其中的一個鏡片涂有他們新開發(fā)的超材料，另一個未作處理。結(jié)果顯示，超材料涂層起到了防止鏡片起霧的作用，而未作處理的則完全起霧。圖片來源：參考文獻[1]
當然，實際應(yīng)用時可能會遇到陽光輻射非常弱的情況，那時這種涂層還能發(fā)揮加熱的作用嗎？
還好眼鏡有兩個鏡片，所以很容易實現(xiàn)對照試驗：其中的一個鏡片涂有他們新開發(fā)的超材料，另一個未作處理。首先，普利卡科斯的團隊將這副眼鏡放置在室外，并暴露在陽光（強度為 0.2~0.3 個太陽光輻射）下5分鐘。然后，戴著口罩的研究人員戴上這副眼鏡并呼氣。很顯然，未作處理的鏡片完全起霧，而涂有超材料涂層的鏡片，即使在這種非理想條件下也能保持完整的可見度。
研究人員將涂有這種涂層的材料帶到了瑞士山上，以進行測試。圖片來源：參考文獻[1]
普利卡科斯和同事甚至將涂有這種涂層的聚酯片、二氧化硅晶片帶到了瑞士山上，以證實它在惡劣戶外條件下的防霧、除霧能力。
03
走向市場
他們對此提交了專利申請并期望能夠走向市場。但一想到涂層中的金，你可能就對它望而卻步了。但科學(xué)家已經(jīng)提前替你算了一筆賬，發(fā)現(xiàn)沒有那么貴：“由于納米金薄膜的厚度不到5納米，所以整體涂層只需要很少的金。具體來說，每平方米的涂層含有100毫克的金，這意味著一副眼鏡需要大約0.3毫克的金，換算為美元就是 0.017（相當于 11.5 分人民幣）。”這項新研究的第一作者伊萬·海希勒（Iwan Haechler）說道。當然，整體涂層以及其他價格未包含在內(nèi)。
說起產(chǎn)品，目前市場上的主打產(chǎn)品防霧濕巾是通過擦拭，在鏡片上留下一層膜來防止起霧。它們無非包含親水性或疏水性材料，但擦拭過程中可能會破壞原本的鏡片鍍膜。至于原理，它們主要是通過調(diào)整表面潤濕性來改變水滴與鏡片表面之間的接觸角，與普利卡科斯團隊的策略完全不同。
例如，超親水材料可以使水滴鋪展開來形成水膜，以便讓光透過去。因此，肉眼看上去鏡片似乎是透明的，但實際上并沒有阻止水蒸氣的冷凝。不過，親水表面的表面能較高，因此很容易吸附污垢、灰塵、油滴等雜質(zhì)，僅僅一點雜質(zhì)就能削弱超親水表面的性能。
而說起超疏水表面，我們可以想象一下荷葉上的露珠——超疏水表面就是在模仿荷葉的結(jié)構(gòu)，從而使水滴不粘濕表面并離開。但制備如此完美的仿生結(jié)構(gòu)是一件極具挑戰(zhàn)性的事情。因此表面簇集的水滴并不都會如你所愿地及時滑下來，它們很有可能會不斷“侵占”表面，從而使其最終失去功能。
至于普利卡科斯他們新開發(fā)的基于納米金的鏡片涂層，它們也毋庸置疑會發(fā)揮防霧、除霧的作用，但能否滿足長久使用的需求，以及完勝目前的產(chǎn)品還有待檢驗。
參考文獻：
[1]https://www.nature.com/articles/s41565-022-01267-1#Sec15
[2]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04481
[3]https://www.nature.com/articles/s41565-022-01269-z
[4]https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.09.001
[5]https://doi.org/10.1016/0275-5408(95)00023-2
[6]https://phys.org/news/2019-03-nanotechnology-sunlight-visibility.html
[7]https://www.zmescience.com/science/news-science/new-ultrathin-gold-coating-can-make-your-glasses-defog-themselves/
[8]https://www.zmescience.com/other/feature-post/how-to-prevent-your-glasses-from-fogging-when-wearing-a-face-mask/
作者｜王怡博
來源：環(huán)球科學(xué)
標簽：
這種涂層
參考文獻
很有可能會
