圖片來(lái)源：蘇黎世聯(lián)理工學(xué)院戴上口罩之最大的困擾之一就是冬天眼鏡會(huì)起霧。無(wú)是剛走到室外，還是進(jìn)入室內(nèi)，眼前都頓一片朦朧。對(duì)此，蘇世聯(lián)邦理工學(xué)院的科家想出了一種新方法 —— 在一定的光刺激下讓鏡片自發(fā)加熱，無(wú)需擦拭它們，以免些化學(xué)品破壞原本的片鍍膜。自從戴上口，走在路上就多了一動(dòng)作：用手按壓口罩鼻梁兩側(cè)的金屬條。其是在冬天，因?yàn)樽?呼出的熱氣會(huì)順著口與臉的縫隙爬到眼鏡面，在鏡面上如漲潮般留下一層水滴，即生霧氣；幸運(yùn)的話，氣很快“退潮”便會(huì)去。但如果你不得不外面走進(jìn)地鐵站，你發(fā)現(xiàn)眼鏡的外面也被蓋了一層霧。眼鏡起其實(shí)是由于眼鏡與周空氣存在溫差，而使蒸氣冷凝為水的過(guò)程值得一提的是，鏡片原本還有幾層額外的，以減少反射、防水油防藍(lán)光等，它們往屬于疏水材料，使水難粘濕鏡面，從而形水滴。這些小水滴會(huì)入射光向四面八方散而導(dǎo)致人看不清。這，如果被動(dòng)地等待眼上的水滴蒸發(fā)以消散氣，你也許要頂著這一副朦朧的眼鏡繼續(xù)前走幾分鐘。但除此外，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)院熱力系的主任，也是該校興技術(shù)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人，主要從事界和熱力學(xué)相關(guān)的研究普利卡科斯和同事對(duì)鏡起霧這件事非常感趣，從大約 6 年前就開(kāi)始思考如何開(kāi)發(fā)種新的眼鏡涂層。他期望這種涂層既能快除霧或防止起霧，又與現(xiàn)有技術(shù)相匹配來(lái)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。最近，利卡科斯的團(tuán)隊(duì)在《然?納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志上發(fā)表了他們的新成果。讓眼鏡自己熱？這項(xiàng)新技術(shù)的特之處在于，它模仿了后窗的除霜器。有車(chē)人應(yīng)該知道車(chē)后窗玻上的一條條橫線其實(shí)電熱絲，目的是通電熱來(lái)加快蒸發(fā)，以達(dá)除霜 / 霧的效果。不過(guò)，相比于人為末山地提供能量（如電能，普利卡科斯和同事到，可不可以在日常境中（有一定的光照，就能讓鏡片的部分域自行加熱以減小溫，從而防止霧氣的產(chǎn)或加快除霧的速度？片來(lái)源：pixabay“人們通常會(huì)用深色表面來(lái)吸收光，以將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃??！逼绽?科斯團(tuán)隊(duì)的一位博士埃夫斯特雷克斯?米里迪斯（Efstratios Mitridis）說(shuō)道。但我們知道眼鏡必須得足夠亮，所以他們需要設(shè)特殊的透明涂層，使既具備足夠高的透光，也能實(shí)現(xiàn)類似于深表面的效果：吸收足多的紅外線來(lái)提高物溫度?？茖W(xué)家已經(jīng)知，對(duì)于金屬納米顆粒可以看作一種特殊的離子體）而言，當(dāng)金表面自由電子的振蕩率與入射光的頻率相時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，因會(huì)對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的光產(chǎn)很強(qiáng)的局部吸收作用同時(shí)讓其他波長(zhǎng)的光過(guò)。其共振頻率往往現(xiàn)在可見(jiàn)光波段內(nèi)。今，在人為制造的一光學(xué)超材料中，科學(xué)往往會(huì)將特定形式的米粒子嵌在不同的表上，并通過(guò)堆疊形成類多層結(jié)構(gòu)。他們可調(diào)整納米粒子的大小位置和方向，或者改每一層納米粒子的厚，以調(diào)控光與納米粒之間的相互作用，從讓材料表現(xiàn)出不同的學(xué)性能。例如，使等子體共振頻率拓寬到紅外波段。這也是普卡科斯的團(tuán)隊(duì)最終選的一種策略。這支研團(tuán)隊(duì)的思路：制備一超材料涂層使盡可能的可見(jiàn)光透過(guò)，同時(shí)可能吸收更多的近紅光。沿著這種思路，們?cè)?2019 年第一次報(bào)道了他們所制的涂層，它由一層二化鈦與一層金納米顆交替重復(fù)堆疊而成。我們的涂層會(huì)吸收太光中的紅外線以及一分可見(jiàn)光，”這項(xiàng)研的第一作者克里斯托?沃克（Christopher Walker）說(shuō)，“吸收的光會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)闊峒靖?。?可以使鏡片的溫度提 3~4℃，從而縮小導(dǎo)致眼鏡起霧的巫姑差這項(xiàng)研究發(fā)表在 Nano Letters 雜志上。但是，這一版本的涂層的可見(jiàn)光過(guò)率僅有約 36%，吸收率則達(dá)到了約 30%~40%（以可見(jiàn)光為例，可見(jiàn)光的透率 + 吸收率 + 反射率 = 1）。這很有可能會(huì)影響鏡片透光率，以及最終的晰度和失真度。因此在接下來(lái)的 3 年里，普利卡科斯和同事直在試圖優(yōu)化材料結(jié)，以尋找光學(xué)效果更的眼鏡涂層。而性質(zhì)突變會(huì)出現(xiàn)在哪里？過(guò)了 3 年……逾滲閾值（percolation threshold）以及逾滲現(xiàn)象常常會(huì)用在導(dǎo)電復(fù)材料中，這種材料有個(gè)非常重要的特征：們的導(dǎo)電率會(huì)隨導(dǎo)電子體積分?jǐn)?shù)的增加呈線性遞增，并且在某個(gè)臨界值突然增大，化幅度可達(dá) 10 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，然后呈線性遞減。根據(jù)產(chǎn)生滲現(xiàn)象的原因，我們許可以推測(cè)，隨著納金濃度的增加，當(dāng)這納米金形成某種連續(xù)絡(luò)時(shí)，材料的光學(xué)性就突然迅速增加了。支研究團(tuán)隊(duì)就是這么和做的。他們想要利這種逾滲概念，找到鏡涂層的光學(xué)性能閾。相比于 2019 年用過(guò)的金納米顆粒他們這次選擇用一種統(tǒng)的熱蒸發(fā)工藝，制納米金的薄膜。按照們的說(shuō)法，當(dāng)金沉積基板上時(shí)會(huì)先形成島但這些島尺寸較小且此獨(dú)立，難以發(fā)生集共振；隨著更多的金積，這些島之間就會(huì)現(xiàn)電氣連接，成為一更大的、相互連接的絡(luò)。實(shí)際上，這層納金的薄膜被夾在兩層氧化鈦之間，當(dāng)納米薄膜的厚度為 4.75 納米時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的材旋龜擁有最大的近外光吸收率 —— 約 36.9%，同時(shí)具備較高的可見(jiàn)光透光（67.1%），并且?guī)缀醪晃湛梢?jiàn)光 —— 舉例來(lái)說(shuō)，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 1 個(gè)太陽(yáng)光的輻射（經(jīng)過(guò)計(jì)算，物理學(xué)已經(jīng)證實(shí)，地球上太光輻射的功率密度約 1000 瓦特 / 平方米，因此將其簡(jiǎn)稱女祭 1 個(gè)太陽(yáng)光輻射）下使眼鏡升溫 8.3℃；即使是在 0.6 個(gè)太陽(yáng)光輻射下也能升溫 5.4℃。其中的一個(gè)鏡片涂有們新開(kāi)發(fā)的超材料，一個(gè)未作處理。結(jié)果示，超材料涂層起到防止鏡片起霧的作用而未作處理的則完全霧。圖片來(lái)源：原論當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可會(huì)遇到陽(yáng)光輻射非常的情況，那時(shí)這種涂還能發(fā)揮加熱的作用？還好眼鏡有兩個(gè)鏡，所以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)：其中的一個(gè)鏡涂有他們新開(kāi)發(fā)的超料，另一個(gè)未作處理首先，普利卡科斯的隊(duì)將這副眼鏡放置在外，并暴露在陽(yáng)光（度為 0.2~0.3 個(gè)太陽(yáng)光輻射）下 5 分鐘。然后，戴著口罩的研究人員戴上副眼鏡并呼氣。很顯，未作處理的鏡片完起霧，而涂有超材料層的鏡片，即使在這非理想條件下也能保完整的可見(jiàn)度。研究員將涂有這種涂層的料帶到了瑞士山上，進(jìn)行測(cè)試。圖片來(lái)源原論文普利卡科斯和事甚至將涂有這種涂的聚酯片 / 二氧化硅晶片帶到了瑞士山，以證實(shí)它在惡劣戶條件下的防霧 / 除霧能力。走向市場(chǎng)他對(duì)此提交了專利申請(qǐng)期望能夠走向市場(chǎng)。一想到涂層中的金，可能就對(duì)它望而卻步。但科學(xué)家已經(jīng)提前你算了一筆賬，發(fā)現(xiàn)有那么貴：“由于納金薄膜的厚度不到 5 納米，所以整體涂層只需離騷很少的金。具來(lái)說(shuō)，每平方米的涂含有 100 毫克的金，這意味著一副眼需要大約 0.3 毫克的金，換算為美元是 0.017（相當(dāng)于 11.5 分人民幣）?！边@項(xiàng)新研究第一作者伊萬(wàn)?海希（Iwan Haechler）說(shuō)道。當(dāng)然，整體涂層以及其世本格未包含在內(nèi)。說(shuō)起品，目前市場(chǎng)上的主產(chǎn)品防霧濕巾是通過(guò)拭，在鏡片上留下一膜來(lái)防止起霧。它們非包含親水性或疏水材料，但擦拭過(guò)程中能會(huì)破壞原本的鏡片膜。至于原理，它們要是通過(guò)調(diào)整表面潤(rùn)性來(lái)改變水滴與鏡片面之間的接觸角，與利卡科斯團(tuán)隊(duì)的策略全不同。例如，超親材料可以使水滴鋪展來(lái)形成水膜，以便讓透過(guò)去。因此，肉眼上去鏡片似乎是透明，但實(shí)際上并沒(méi)有阻水蒸氣的冷凝。不過(guò)親水表面的表面能較，因此很容易吸附污、灰塵、油滴等雜質(zhì)僅僅一點(diǎn)雜質(zhì)就能削超親水表面的性能。說(shuō)起超疏水表面，我可以想象一下荷葉上露珠 —— 超疏水表面就是在模仿荷葉的構(gòu)，從而使水滴不粘表面并離開(kāi)。但制備此完美的仿生結(jié)構(gòu)是件極具挑戰(zhàn)性的事情因此表面簇集的水滴不都會(huì)如你所愿地及滑下來(lái)，它們很有可會(huì)不斷“侵占”表面從而使其最終失去功。至于普利卡科斯他新開(kāi)發(fā)的基于納米金鏡片涂層，它們也毋置疑會(huì)發(fā)揮防霧 / 除霧的作用，但能否足長(zhǎng)久使用的需求，及完勝目前的產(chǎn)品還待檢驗(yàn)。適當(dāng)憋氣也個(gè)好技能原論文：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01267-1#Sec15參考鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04481https://www.nature.com/articles/s41565-022-01269-zhttps://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.09.001https://doi.org/10.1016/0275-5408(95)00023-2https://phys.org/news/2019-03-nanotechnology-sunlight-visibility.htmlhttps://www.zmescience.com/science/news-science/new-ultrathin-gold-coating-can-make-your-glasses-defog-themselves/https://www.zmescience.com/other/feature-post/how-to-prevent-your-glasses-from-fogging-when-wearing-a-face-mask/本文來(lái)自微信公眾號(hào)：環(huán)球科 （ID：huanqiukexue）撰文：王怡博，審校：栗