圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工院戴上口罩之后最大的困擾一就是，冬天眼鏡會(huì)起霧。論是剛走到室外，還是剛進(jìn)室內(nèi)，眼前都頓時(shí)一片朦朧對(duì)此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家想出了一種新方法 —— 在一定的光刺激下讓鏡片自發(fā)加榖山，而無需擦拭它們以免一些化學(xué)品破壞原本的片鍍膜。自從戴上口罩，走路上就多了一個(gè)動(dòng)作：用手壓口罩上鼻梁兩側(cè)的金屬條尤其是在冬天，因?yàn)樽约汉?的熱氣會(huì)順著口罩與臉的縫爬到眼鏡里面，在鏡面上如潮一般留下一層水滴，即產(chǎn)霧氣；幸運(yùn)的話，霧氣很快退潮”便會(huì)散去。但如果你得不從外面走進(jìn)地鐵站，你發(fā)現(xiàn)眼鏡的外面也被覆蓋了層霧。眼鏡起霧其實(shí)是由于鏡與周圍空氣存在溫差，而水蒸氣冷凝為水的過程。值一提的是，鏡片上原本還有層額外的膜，以減少反射、水防油防藍(lán)光等，它們往往于疏水材料，使水很難粘濕面，從而形成水滴。這些小滴會(huì)使入射光向四面八方散而導(dǎo)致人看不清。這時(shí)，如被動(dòng)地等待眼鏡上的水滴蒸以消散霧氣，你也許要頂著樣一副朦朧的眼鏡繼續(xù)往前幾分鐘。但除此之外，你還做些什么？迪莫斯?普利卡斯（Dimos Poulikakos）是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院熱力學(xué)系的主任，也該校新興技術(shù)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)始人，主要從事界面和熱學(xué)相關(guān)的研究。普利卡科斯同事對(duì)眼鏡起霧這件事非常興趣，從大約 6 年前就開始思考如何開發(fā)一種新的眼涂層。他們期望這種涂層既快速除霧或防止起霧，又能現(xiàn)有技術(shù)相匹配來實(shí)現(xiàn)規(guī)模產(chǎn)。最近，普利卡科斯的團(tuán)在《自然?納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志上發(fā)表了他們的最新成果。讓眼蓐收自加熱？這項(xiàng)新技術(shù)的特殊之在于，它模仿了車后窗的除器。有車的人應(yīng)該知道車后玻璃上的一條條橫線其實(shí)是熱絲，目的是通電加熱來加蒸發(fā)，以達(dá)到除霜 / 霧的效果。不過，相比于人為主地提供能量（如電能），普卡科斯和同事想到，可不可在日常環(huán)境中（有一定的光），就能讓鏡片的部分區(qū)域行加熱以減小溫差，從而防霧氣的產(chǎn)生或加快除霧的速？圖片來源：pixabay“人們通常會(huì)用深色表面來收光，以將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊?普利卡科斯團(tuán)隊(duì)的一位博士埃夫斯特雷克斯?米特里迪（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(jì)特殊的透涂層，使其既具備足夠高的光率，也能實(shí)現(xiàn)類似于深色面的效果：吸收足夠多的紅線來提高物體溫度。科學(xué)家經(jīng)知道，對(duì)于金屬納米顆粒可以看作一種特殊的等離子）而言，當(dāng)金屬表面自由電的振蕩頻率與入射光的頻率當(dāng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，因此會(huì)相應(yīng)波長的光產(chǎn)生很強(qiáng)的局吸收作用，同時(shí)讓其他波長光透過。其共振頻率往往出在可見光波段內(nèi)。如今，在為制造的一些光學(xué)超材料中科學(xué)家往往會(huì)將特定形式的米粒子嵌在不同的表面上，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、位置和方向，或者改變每層納米粒子的厚度，以調(diào)控與納米粒子之間的相互作用從而讓材料表現(xiàn)出不同的光性能。例如，使等離子體共頻率拓寬到近紅外波段。這是普利卡科斯的團(tuán)隊(duì)最終選的一種策略。這支研究團(tuán)隊(duì)思路：制備一類超材料涂層盡可能多的可見光透過，同盡可能吸收更多的近紅外光沿著這種思路，他們在 2019 年第一次報(bào)道了他們所制備的涂層，它鯀一層二氧鈦與一層金納米顆粒交替重堆疊而成。“我們的涂層會(huì)收太陽光中的紅外線以及一分可見光，”這項(xiàng)研究的第作者克里斯托弗?沃克（Christopher Walker）說，“吸收的光會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋！边@危以使鏡的溫度提高 3~4℃，從而縮小導(dǎo)致眼鏡起霧的溫差。項(xiàng)研究發(fā)表在 Nano Letters 雜志上。但是，這一版本的涂層的中山見光過率僅有約 36%，吸收率則達(dá)到了約 30%~40%（以可見光為例，可見光的過率 + 吸收率 + 反射率 = 1）。這很有可能會(huì)影響鏡片的透光率，以及最的清晰度和失真度。因此，接下來的 3 年里，普利卡科斯和同事一直在試南山優(yōu)化料結(jié)構(gòu)，以尋找光學(xué)效果更的眼鏡涂層。而性質(zhì)的突變出現(xiàn)在哪里？又過了 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)合材料中，這種材有一個(gè)非常重要的特征：它的導(dǎo)電率會(huì)隨導(dǎo)電粒子體積數(shù)的增加呈非線性遞增，并在某一個(gè)臨界值突然增大，化幅度可達(dá) 10 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，然后呈非線性遞減。據(jù)產(chǎn)生逾滲現(xiàn)象的原因，我或許可以推測，隨著納米金度的增加，當(dāng)這些納米金形某種連續(xù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，材料的光性質(zhì)就突然迅速增加了。這研究團(tuán)隊(duì)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。相比于 2019 年用過的金納米顆粒，他們這次選用一種傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)工藝，備納米金的薄膜。按照他們說法，當(dāng)金沉積在基板上時(shí)先形成島，但這些島尺寸較且彼此獨(dú)立，難以發(fā)生集體振；隨著更多的金沉積，這島之間就會(huì)實(shí)現(xiàn)電氣連接，為一個(gè)更大的、相互連接的絡(luò)。實(shí)際上，這層納米金的膜被夾在兩層二氧化鈦之間當(dāng)納米金薄膜的厚度為 4.75 納米時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的材料擁有最大的近紅外光吸收 —— 約 36.9%，同時(shí)具備較高的可見光透光率67.1%），并且?guī)缀醪晃湛梢姽?—— 舉例來說，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，這種新涂層至可以在 1 個(gè)太陽光的輻射（經(jīng)過計(jì)算，物理學(xué)家已證實(shí)，地球上太陽光輻射的率密度約為 1000 瓦特 / 平方米，因此將其簡稱為 1 個(gè)太陽光輻射）下使眼鏡升溫 8.3℃；即使是在 0.6 個(gè)太陽光輻射下也能升溫 5.4℃。其中的一個(gè)鏡片涂有他們新開發(fā)的材料，另一個(gè)未作處理。結(jié)顯示，超材料涂層起到了防鏡片起霧的作用，而未作處的則完全起霧。圖片來源：論文當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能遇到陽光輻射非常弱的情況那時(shí)這種涂層還能發(fā)揮加熱作用嗎？還好眼鏡有兩個(gè)鏡，所以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)照試驗(yàn)其中的一個(gè)鏡片涂有他們新發(fā)的超材料，另一個(gè)未作處。首先，普利卡科斯的團(tuán)隊(duì)這副眼鏡放置在室外，并暴在陽光（強(qiáng)度為 0.2~0.3 個(gè)太陽光輻射）下 5 分鐘。然后，戴著口罩的研究人員戴上蠪蚔副眼鏡并呼氣很顯然，未作處理的鏡片完起霧，而涂有超材料涂層的片，即使在這種非理想條件也能保持完整的可見度。研人員將涂有這種涂層的材料到了瑞士山上，以進(jìn)行測試圖片來源：原論文普利卡科和同事甚至將涂有這種涂層聚酯片 / 二氧化硅晶片帶到了瑞士山上，陰山證實(shí)它在劣戶外條件下的防霧 / 除霧能力。走向市場他們對(duì)此交了專利申請并期望能夠走市場。但一想到涂層中的金你可能就對(duì)它望而卻步了。科學(xué)家已經(jīng)提前替你算了一賬，發(fā)現(xiàn)沒有那么貴：“由納米金薄膜的厚度不到 5 納米，所以整體涂層只需要少的金。具體來說，每平方的涂層含有 100 毫克的金，這意味著一副眼鏡需要約 0.3 毫克的金，換算為美元就是 0.017（相當(dāng)于 11.5 分人民幣）?！边@項(xiàng)新研究的第嚳作者萬?海希勒（Iwan Haechler）說道。當(dāng)然，整體涂層以及其他價(jià)格未包在內(nèi)。說起產(chǎn)品，目前市場的主打產(chǎn)品防霧濕巾是通過拭，在鏡片上留下一層膜來止起霧。它們無非包含親水或疏水性材料，但擦拭過程可能會(huì)破壞原本的鏡片鍍膜至于原理，它們主要是通過整表面潤濕性來改變水滴與片表面之間的接觸角，與普卡科斯團(tuán)隊(duì)的策略完全不同例如，超親水材料可以使水鋪展開來形成水膜，以便讓透過去。因此，肉眼看上去片似乎是透明的，但實(shí)際上沒有阻止水蒸氣的冷凝。不，親水表面的表面能較高，此很容易吸附污垢、灰塵、滴等雜質(zhì)，僅僅一點(diǎn)雜質(zhì)就削弱超親水表面的性能。而起超疏水表面，我們可以想一下荷葉上的露珠 —— 超疏水表面就是在模仿荷葉的構(gòu)，從而使水滴不粘濕表面離開。但制備如此完美的仿結(jié)構(gòu)是一件極具挑戰(zhàn)性的事。因此表面簇集的水滴并不會(huì)如你所愿地及時(shí)滑下來，們很有可能會(huì)不斷“侵占”面，從而使其最終失去功能至于普利卡科斯他們新開發(fā)基于納米金的鏡片涂層，它也毋庸置疑會(huì)發(fā)揮防霧 / 除霧的作用，但能否滿足長使用的需求，以及完勝目前產(chǎn)品還有待檢驗(yàn)。適當(dāng)憋氣是個(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/本文來自微信公眾號(hào)：環(huán)球科學(xué) （ID：huanqiukexue）撰文：王怡博，審校：栗?