圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦工學院戴上口罩之后最的困擾之一就是，冬天鏡會起霧。無論是剛走室外，還是剛進入室內(nèi)眼前都頓時一片朦朧。此，蘇黎世聯(lián)邦理工學的科學家想出了一種新法 —— 在一定的光刺激下讓鏡片自發(fā)加熱，無需擦拭它們，以免一化學品破壞原本的鏡片膜。自從戴上口罩，走路上就多了一個動作：手按壓口罩上鼻梁兩側(cè)金屬條。尤其是在冬天因為自己呼出的熱氣會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；幸運的話，霧很快“退潮”便會散去但如果你不得不從外面進地鐵站，你會發(fā)現(xiàn)眼的外面也被覆蓋了一層。眼鏡起霧其實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。些小水滴會使入射光向面八方散開而導致人看清。這時，如果被動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)邦理工學院熱力學系句芒主任，是該校新興技術(shù)熱力學驗室的創(chuàng)始人，主要從界面和熱力學相關(guān)的研。普利卡科斯和同事對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)匹配來實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。近，普利卡科斯的團隊《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是電熱絲，目的是電加熱來加快蒸發(fā)，以到除霜 / 霧的效果。不過，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？圖片來源：pixabay“人們通常會用深色表面來吸收光，以將其變?yōu)闊崃?。”普利卡?團隊的一位博士生埃夫特雷克斯?米特里迪斯Efstratios Mitridis）說道。但我們知道眼鏡必須足夠透亮，所以他們需設(shè)計特殊的透明涂層，其既具備足夠高的透光，也能實現(xiàn)類似于深色面的效果：吸收足夠多紅外線來提高物體溫度科學家已經(jīng)知道，對于屬納米顆粒（可以看作種特殊的等離子體）而，當金屬表面自由電子振蕩頻率與入射光的頻相當時就會產(chǎn)生共振，此會對相應(yīng)波長的光產(chǎn)很強的局部吸收作用，時讓其他波長的光透過其共振頻率往往出現(xiàn)在見光波段內(nèi)。如今，在為制造的一些光學超材中，科學家往往會將特形式的納米粒子嵌在不的表面上，并通過堆疊成一類多層結(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隊最選擇的一種策略。這支究團隊的思路：制備一超材料涂層使盡可能多可見光透過，同時盡可吸收更多的近紅外光。著這種思路，他們在 2019 年第一次報道了他們所制備的鬼國層，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?陽光中的紅外線以及一分可見光，”這項研究第一作者克里斯托弗?克（Christopher Walker）說，“吸收的光會被轉(zhuǎn)變熱能。”這可以使鏡片溫度提高 3~4℃，從而縮小導致眼鏡起霧的差。這項研究發(fā)表在 Nano Letters 雜志上。但是，這一版本的涂層重可見光透過僅有約 36%，吸收率則達到了約 30%~40%（以可見光為例，可見光的透靈山率 + 吸收率 + 反射率 = 1）。這很有可能會影響片的透光率，以及最終清晰度和失真度。因此在接下來的 3 年里，普利卡科斯和同事一直試圖優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，以找光學效果更好的眼鏡層。而性質(zhì)的突變會出在哪里？又過了 3 年……逾滲閾值（percolation threshold）以及逾滲現(xiàn)象常常會用在導電復(fù)材料中，這種材料有一非常重要的特征：它們導電率會隨導電粒子體分數(shù)的增加呈非線性遞，并且在某一個臨界值然增大，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)生逾滲現(xiàn)象的原因，我或許可以推測，隨著納金濃度的增加，當這些米金形成某種連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，材料的光學性質(zhì)就突迅速增加了。這支研究隊就是這么想和做的。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統(tǒng)的熱蒸發(fā)工藝，制備米金的薄膜。按照他們說法，當金沉積在基板時會先形成島，但這些尺寸較小且彼此獨立，以發(fā)生集體共振；隨著多的金沉積，這些島之就會實現(xiàn)電氣連接，成一個更大的、相互連接網(wǎng)絡(luò)。實際上，這層納金的薄膜被夾在兩層二化鈦之間，當納米金薄的厚度為 4.75 納米時，這種結(jié)構(gòu)的材料有最大的近紅外光吸收 —— 約 36.9%，同時具備較高的可見透光率（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，這種涂層甚至可以在 1 個太陽光的輻射（經(jīng)過計，物理學家已經(jīng)證實，球上太陽光輻射的功率度約為 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)超材料，另一個未作處。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。圖片來源：原論當然，實際應(yīng)用時可能遇到陽光輻射非常弱的況，那時這種涂層還能揮加熱的作用嗎？還好鏡有兩個鏡片，所以很易實現(xiàn)對照試驗：其中一個鏡片涂有他們新開的超材料，另一個未作理。首先，普利卡科斯團隊將這副眼鏡放置在外，并暴露在陽光（強為 0.2~0.3 個太陽光輻射）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度。研究員將涂有這種涂層的材帶到了瑞士山上，以進測試。圖片來源：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，以證實它在劣戶外條件下的防霧 / 除霧能力。走向市場他們對此提交了專利申請期望能夠走向市場。但想到涂層中的金，你可就對它望而卻步了。但學家已經(jīng)提前替你算了筆賬，發(fā)現(xiàn)沒有那么貴“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說，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（相當于 11.5 分人民幣）?！边@項新研究的第一作者伊?海希勒（Iwan Haechler）說道。當然，整體涂層以及其價格未包含在內(nèi)。說起品，目前市場上的主打品防霧濕巾是通過擦拭在鏡片上留下一層膜來止起霧。它們無非包含水性或疏水性材料，但拭過程中可能會破壞原的鏡片鍍膜。至于原理它們主要是通過調(diào)整表潤濕性來改變水滴與鏡表面之間的接觸角，與利卡科斯團隊的策略完不同。例如，超親水材可以使水滴鋪展開來形水膜，以便讓光透過去因此，肉眼看上去鏡片乎是透明的，但實際上沒有阻止水蒸氣的冷凝不過，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)僅僅一點雜質(zhì)就能削弱親水表面的性能。而說超疏水表面，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如你所愿地及時下來，它們很有可能會斷“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，們也毋庸置疑會發(fā)揮防 / 除霧的作用，但能否滿足長久虎蛟用的需求以及完勝目前的產(chǎn)品還待檢驗。適當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/本文來自微信公眾號：環(huán)球科學 （ID：huanqiukexue）撰文：王怡博，審校：栗?