王怡博

戴上口罩之后最大的困擾之一就是，冬天眼鏡會(huì)起霧。無(wú)論是剛走到室外，還是剛進(jìn)入室內(nèi)，眼前都頓時(shí)一片朦朧。對(duì)此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家想出了一種新方法——在一定的光刺激下讓鏡片自發(fā)加熱，而無(wú)須擦拭它們，以免一些化學(xué)品破壞原本的鏡片鍍膜。

讓眼鏡自己加熱？

這項(xiàng)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(shí)是電熱絲，目的是通電加熱來(lái)加快蒸發(fā)，以達(dá)到除霜/ 霧的效果。不過(guò)，相比于人為主動(dòng)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(huì)用深色表面來(lái)吸收光，以將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃??！逼绽扑箞F(tuán)隊(duì)的一位博士生埃夫斯特雷克斯·米特里迪斯（Efstratios Mitridis）說(shuō)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)特殊的透明涂層，使其既具備足夠高的透光率，也能實(shí)現(xiàn)類似于深色表面的效果：吸收足夠多的紅外線來(lái)提高物體溫度。

這支研究團(tuán)隊(duì)的思路：制備一類超材料涂層使盡可能多的可見(jiàn)光透過(guò)，同時(shí)盡可能吸收更多的近紅外光

科學(xué)家已經(jīng)知道，對(duì)于金屬納米顆粒（可以看作一種特殊的等離子體）而言，當(dāng)金屬表面自由電子的振蕩頻率與入射光的頻率相當(dāng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，因此會(huì)對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的光產(chǎn)生很強(qiáng)的局部吸收作用，同時(shí)讓其他波長(zhǎng)的光透過(guò)。其共振頻率往往出現(xiàn)在可見(jiàn)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(huì)將特定形式的納米粒子嵌在不同的表面上，并通過(guò)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(tuán)隊(duì)最終選擇的一種策略。

沿著這種思路，他們?cè)?019年第一次報(bào)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(huì)吸收太陽(yáng)光中的紅外線以及一部分可見(jiàn)光，” 這項(xiàng)研究的第一作者克里斯托弗· 沃克（Christopher Walker）說(shuō)，“吸收的光會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮??！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(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)光透過(guò)率僅有約36%， 吸收率則達(dá)到了30% ～ 40%（以可見(jiàn)光為例，可見(jiàn)光的透過(guò)率+ 吸收率+ 反射率=1）。這很有可能會(huì)影響鏡片的透光率，以及最終的清晰度和失真度。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(huì)出現(xiàn)在哪里？

不斷改進(jìn)

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，這種材料有一個(gè)非常重要的特征：它們的導(dǎo)電率會(huì)隨導(dǎo)電粒子體積分?jǐn)?shù)的增加呈非線性遞增，并且在某一個(gè)臨界值突然增大，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)產(chǎn)生逾滲現(xiàn)象的原因，我們或許可以推測(cè)，隨著納米金濃度的增加，當(dāng)這些納米金形成某種連續(xù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，材料的光學(xué)性質(zhì)就突然迅速增加了。這支研究團(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)性能閾值。

實(shí)際上，這層納米金的薄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率——約36.9%，同時(shí)具備較高的可見(jiàn)光透光率（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，這種新涂層甚至可以在1個(gè)太陽(yáng)光的輻射（經(jīng)過(guò)計(jì)算，物理學(xué)家已經(jīng)證實(shí)，地球上太陽(yáng)光輻射的功率密度約為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℃。

研究人員將涂有這種涂層的材料帶到了瑞士山上，以進(jìn)行測(cè)試

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(shí)它在惡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)并期望能夠走向市場(chǎng)。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)提前替你算了一筆賬，發(fā)現(xiàn)沒(méi)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(lái)說(shuō)，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(dāng)于11.5分人民幣）?！边@項(xiàng)新研究的第一作者伊萬(wàn)·海希勒（Iwan Haechler）說(shuō)道。當(dāng)然，整體涂層以及其他價(jià)格未包含在內(nèi)。

對(duì)于這樣的價(jià)格，會(huì)有多少人愿意購(gòu)買呢？

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號(hào)，有刪節(jié)）