圖片來(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院戴上口罩之后最的困擾之一就是，冬天鏡會(huì)起霧。無(wú)論是剛走室外，還是剛進(jìn)入室內(nèi)眼前都頓時(shí)一片朦朧。此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)的科學(xué)家想出了一種新法 —— 在一定的光刺激下讓鏡片自發(fā)加熱，無(wú)需擦拭它們，以免一化學(xué)品破壞原本的鏡片膜。自從戴上口罩，走路上就多了一個(gè)動(dòng)作：手按壓口罩上鼻梁兩側(cè)金屬條。尤其是在冬天因?yàn)樽约汉舫龅臒釟鈺?huì)著口罩與臉的縫隙爬到鏡里面，在鏡面上如漲一般留下一層水滴，即生霧氣；幸運(yùn)的話，霧很快“退潮”便會(huì)散去但如果你不得不從外面進(jìn)地鐵站，你會(huì)發(fā)現(xiàn)眼的外面也被覆蓋了一層。眼鏡起霧其實(shí)是由于鏡與周圍空氣存在溫差而使水蒸氣冷凝為水的程。值得一提的是，鏡上原本還有幾層額外的，以減少反射、防水防防藍(lán)光等，它們往往屬疏水材料，使水很難粘鏡面，從而形成水滴。些小水滴會(huì)使入射光向面八方散開而導(dǎo)致人看清。這時(shí)，如果被動(dòng)地待眼鏡上的水滴蒸發(fā)以散霧氣，你也許要頂著樣一副朦朧的眼鏡繼續(xù)前走幾分鐘。但除此之，你還能做些什么？迪斯?普利卡科斯（Dimos Poulikakos）是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院熱力學(xué)系句芒主任，是該校新興技術(shù)熱力學(xué)驗(yàn)室的創(chuàng)始人，主要從界面和熱力學(xué)相關(guān)的研。普利卡科斯和同事對(duì)鏡起霧這件事非常感興，從大約 6 年前就開始思考如何開發(fā)一種新眼鏡涂層。他們期望這涂層既能快速除霧或防起霧，又能與現(xiàn)有技術(shù)匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。近，普利卡科斯的團(tuán)隊(duì)《自然?納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志上發(fā)表了他們的最新果。讓眼鏡自己加熱？項(xiàng)新技術(shù)的特殊之處在，它模仿了車后窗的除器。有車的人應(yīng)該知道后窗玻璃上的一條條橫其實(shí)是電熱絲，目的是電加熱來(lái)加快蒸發(fā)，以到除霜 / 霧的效果。不過(guò)，相比于人為主冰夷提供能量（如電能），利卡科斯和同事想到，不可以在日常環(huán)境中（一定的光照），就能讓片的部分區(qū)域自行加熱減小溫差，從而防止霧的產(chǎn)生或加快除霧的速？圖片來(lái)源：pixabay“人們通常會(huì)用深色表面來(lái)吸收光，以將其變?yōu)闊崃俊！逼绽?團(tuán)隊(duì)的一位博士生埃夫特雷克斯?米特里迪斯Efstratios Mitridis）說(shuō)道。但我們知道眼鏡必須足夠透亮，所以他們需設(shè)計(jì)特殊的透明涂層，其既具備足夠高的透光，也能實(shí)現(xiàn)類似于深色面的效果：吸收足夠多紅外線來(lái)提高物體溫度科學(xué)家已經(jīng)知道，對(duì)于屬納米顆粒（可以看作種特殊的等離子體）而，當(dāng)金屬表面自由電子振蕩頻率與入射光的頻相當(dāng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，此會(huì)對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的光產(chǎn)很強(qiáng)的局部吸收作用，時(shí)讓其他波長(zhǎng)的光透過(guò)其共振頻率往往出現(xiàn)在見(jiàn)光波段內(nèi)。如今，在為制造的一些光學(xué)超材中，科學(xué)家往往會(huì)將特形式的納米粒子嵌在不的表面上，并通過(guò)堆疊成一類多層結(jié)構(gòu)。他們以調(diào)整納米粒子的大小位置和方向，或者改變一層納米粒子的厚度，調(diào)控光與納米粒子之間相互作用，從而讓材料現(xiàn)出不同的光學(xué)性能。如，使等離子體共振頻拓寬到近紅外波段。這是普利卡科斯的團(tuán)隊(duì)最選擇的一種策略。這支究團(tuán)隊(duì)的思路：制備一超材料涂層使盡可能多可見(jiàn)光透過(guò)，同時(shí)盡可吸收更多的近紅外光。著這種思路，他們?cè)?2019 年第一次報(bào)道了他們所制備的鬼國(guó)層，它一層二氧化鈦與一層金米顆粒交替重復(fù)堆疊而?！拔覀兊耐繉訒?huì)吸收陽(yáng)光中的紅外線以及一分可見(jiàn)光，”這項(xiàng)研究第一作者克里斯托弗?克（Christopher Walker）說(shuō)，“吸收的光會(huì)被轉(zhuǎn)變熱能。”這可以使鏡片溫度提高 3~4℃，從而縮小導(dǎo)致眼鏡起霧的差。這項(xiàng)研究發(fā)表在 Nano Letters 雜志上。但是，這一版本的涂層重可見(jiàn)光透過(guò)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)光的透靈山率 + 吸收率 + 反射率 = 1）。這很有可能會(huì)影響片的透光率，以及最終清晰度和失真度。因此在接下來(lái)的 3 年里，普利卡科斯和同事一直試圖優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，以找光學(xué)效果更好的眼鏡層。而性質(zhì)的突變會(huì)出在哪里？又過(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，這種材料有一非常重要的特征：它們導(dǎo)電率會(huì)隨導(dǎo)電粒子體分?jǐn)?shù)的增加呈非線性遞，并且在某一個(gè)臨界值然增大，變化幅度可達(dá) 10 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，然后呈非線性遞減。根據(jù)生逾滲現(xiàn)象的原因，我或許可以推測(cè)，隨著納金濃度的增加，當(dāng)這些米金形成某種連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，材料的光學(xué)性質(zhì)就突迅速增加了。這支研究隊(duì)就是這么想和做的。們想要利用這種逾滲概，找到眼鏡涂層的光學(xué)能閾值。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，制備米金的薄膜。按照他們說(shuō)法，當(dāng)金沉積在基板時(shí)會(huì)先形成島，但這些尺寸較小且彼此獨(dú)立，以發(fā)生集體共振；隨著多的金沉積，這些島之就會(huì)實(shí)現(xiàn)電氣連接，成一個(gè)更大的、相互連接網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，這層納金的薄膜被夾在兩層二化鈦之間，當(dāng)納米金薄的厚度為 4.75 納米時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的材料有最大的近紅外光吸收 —— 約 36.9%，同時(shí)具備較高的可見(jiàn)透光率（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，這種涂層甚至可以在 1 個(gè)太陽(yáng)光的輻射（經(jīng)過(guò)計(jì)，物理學(xué)家已經(jīng)證實(shí)，球上太陽(yáng)光輻射的功率度約為 1000 瓦特 / 平方米，因此將其簡(jiǎn)稱為 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)鏡片涂有他們新開發(fā)超材料，另一個(gè)未作處。結(jié)果顯示，超材料涂起到了防止鏡片起霧的用，而未作處理的則完起霧。圖片來(lái)源：原論當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能遇到陽(yáng)光輻射非常弱的況，那時(shí)這種涂層還能揮加熱的作用嗎？還好鏡有兩個(gè)鏡片，所以很易實(shí)現(xiàn)對(duì)照試驗(yàn)：其中一個(gè)鏡片涂有他們新開的超材料，另一個(gè)未作理。首先，普利卡科斯團(tuán)隊(duì)將這副眼鏡放置在外，并暴露在陽(yáng)光（強(qiáng)為 0.2~0.3 個(gè)太陽(yáng)光輻射）下 5 分鐘。然后，戴著口罩的究人員戴上這副眼鏡并氣。很顯然，未作處理鏡片完全起霧，而涂有材料涂層的鏡片，即使這種非理想條件下也能持完整的可見(jiàn)度。研究員將涂有這種涂層的材帶到了瑞士山上，以進(jìn)測(cè)試。圖片來(lái)源：原論普利卡科斯和同事甚至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(shí)它在劣戶外條件下的防霧 / 除霧能力。走向市場(chǎng)他們對(duì)此提交了專利申請(qǐng)期望能夠走向市場(chǎng)。但想到涂層中的金，你可就對(duì)它望而卻步了。但學(xué)家已經(jīng)提前替你算了筆賬，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有那么貴“由于納米金薄膜的厚不到 5 納米，所以整體涂層只需要很少虢山金具體來(lái)說(shuō)，每平方米的層含有 100 毫克的金，這意味著一副眼鏡要大約 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)新研究的第一作者伊?海希勒（Iwan Haechler）說(shuō)道。當(dāng)然，整體涂層以及其價(jià)格未包含在內(nèi)。說(shuō)起品，目前市場(chǎng)上的主打品防霧濕巾是通過(guò)擦拭在鏡片上留下一層膜來(lái)止起霧。它們無(wú)非包含水性或疏水性材料，但拭過(guò)程中可能會(huì)破壞原的鏡片鍍膜。至于原理它們主要是通過(guò)調(diào)整表潤(rùn)濕性來(lái)改變水滴與鏡表面之間的接觸角，與利卡科斯團(tuán)隊(duì)的策略完不同。例如，超親水材可以使水滴鋪展開來(lái)形水膜，以便讓光透過(guò)去因此，肉眼看上去鏡片乎是透明的，但實(shí)際上沒(méi)有阻止水蒸氣的冷凝不過(guò)，親水表面的表面較高，因此很容易吸附垢、灰塵、油滴等雜質(zhì)僅僅一點(diǎn)雜質(zhì)就能削弱親水表面的性能。而說(shuō)超疏水表面，我們可以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)，從而使滴不粘濕表面并離開。制備如此完美的仿生結(jié)是一件極具挑戰(zhàn)性的事。因此表面簇集的水滴不都會(huì)如你所愿地及時(shí)下來(lái)，它們很有可能會(huì)斷“侵占”表面，從而其最終失去功能。至于利卡科斯他們新開發(fā)的于納米金的鏡片涂層，們也毋庸置疑會(huì)發(fā)揮防 / 除霧的作用，但能否滿足長(zhǎng)久虎蛟用的需求以及完勝目前的產(chǎn)品還待檢驗(yàn)。適當(dāng)憋氣也是好技能原論文：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)球科學(xué) （ID：huanqiukexue）撰文：王怡博，審校：栗?