戴上口罩后，如何優(yōu)雅地佩戴眼鏡？

自從戴上口罩，走在路上就多了一個(gè)動(dòng)作：用手按壓口罩上鼻梁兩側(cè)的金屬條。尤其是在冬天，因?yàn)樽约汉舫龅臒釟鈺?huì)順著口罩與臉的縫隙爬到眼鏡里面，在鏡面上如漲潮一般留下一層水滴，即產(chǎn)生霧氣；幸運(yùn)的話，霧氣很快“退潮”便會(huì)散去。但如果你不得不從外面走進(jìn)地鐵站，你會(huì)發(fā)現(xiàn)眼鏡的外面也被覆蓋了一層霧。

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眼鏡起霧其實(shí)是由于眼鏡與周圍空氣存在溫差，而使水蒸氣冷凝為水的過(guò)程。值得一提的是，鏡片上原本還有幾層額外的膜，以減少反射、防水防油防藍(lán)光等，它們往往屬于疏水材料，使水很難粘濕鏡面，從而形成水滴。這些小水滴會(huì)使入射光向四面八方散開而導(dǎo)致人看不清。

這時(shí)，如果被動(dòng)地等待眼鏡上的水滴蒸發(fā)以消散霧氣，你也許要頂著這樣一副朦朧的眼鏡繼續(xù)往前走幾分鐘。但除此之外，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)院熱力學(xué)系的主任，也是該校新興技術(shù)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人，主要從事界面和熱力學(xué)相關(guān)的研究。普利卡科斯和同事對(duì)眼鏡起霧這件事非常感興趣，從大約6年前就開始思考如何開發(fā)一種新的眼鏡涂層。他們期望這種涂層既能快速除霧或防止起霧，又能與現(xiàn)有技術(shù)相匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。最近，普利卡科斯的團(tuán)隊(duì)在《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）雜志上發(fā)表了他們的最新成果。

01

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？

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“人們通常會(huì)用深色表面來(lái)吸收光，以將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊！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。

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。

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光透過(guò)，同時(shí)盡可能吸收更多的近紅外光。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

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光透過(guò)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？

02

納米金薄膜

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。

相比于2019年用過(guò)的金納米顆粒，他們這次選擇用一種傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)工藝，制備納米金的薄膜。按照他們的說(shuō)法，當(dāng)金沉積在基板上時(shí)會(huì)先形成島，但這些島尺寸較小且彼此獨(dú)立，難以發(fā)生集體共振；隨著更多的金沉積，這些島之間就會(huì)實(shí)現(xiàn)電氣連接，成為一個(gè)更大的、相互連接的網(wǎng)絡(luò)。

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)具備較高的可見光透光率（67.1%），并且?guī)缀醪晃湛梢姽狻e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℃。

其中的一個(gè)鏡片涂有他們新開發(fā)的超材料，另一個(gè)未作處理。結(jié)果顯示，超材料涂層起到了防止鏡片起霧的作用，而未作處理的則完全起霧。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能會(huì)遇到陽(yáng)光輻射非常弱的情況，那時(shí)這種涂層還能發(fā)揮加熱的作用嗎？

還好眼鏡有兩個(gè)鏡片，所以很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)照試驗(yàn)：其中的一個(gè)鏡片涂有他們新開發(fā)的超材料，另一個(gè)未作處理。首先，普利卡科斯的團(tuán)隊(duì)將這副眼鏡放置在室外，并暴露在陽(yáng)光（強(qiáng)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這副眼鏡并呼氣。很顯然，未作處理的鏡片完全起霧，而涂有超材料涂層的鏡片，即使在這種非理想條件下也能保持完整的可見度。

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。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

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。

03

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。但科學(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)。

說(shuō)起產(chǎn)品，目前市場(chǎng)上的主打產(chǎn)品防霧濕巾是通過(guò)擦拭，在鏡片上留下一層膜來(lái)防止起霧。它們無(wú)非包含親水性或疏水性材料，但擦拭過(guò)程中可能會(huì)破壞原本的鏡片鍍膜。至于原理，它們主要是通過(guò)調(diào)整表面潤(rùn)濕性來(lái)改變水滴與鏡片表面之間的接觸角，與普利卡科斯團(tuán)隊(duì)的策略完全不同。

例如，超親水材料可以使水滴鋪展開來(lái)形成水膜，以便讓光透過(guò)去。因此，肉眼看上去鏡片似乎是透明的，但實(shí)際上并沒(méi)有阻止水蒸氣的冷凝。不過(guò)，親水表面的表面能較高，因此很容易吸附污垢、灰塵、油滴等雜質(zhì)，僅僅一點(diǎn)雜質(zhì)就能削弱超親水表面的性能。

而說(shuō)起超疏水表面，我們可以想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)，從而使水滴不粘濕表面并離開。但制備如此完美的仿生結(jié)構(gòu)是一件極具挑戰(zhàn)性的事情。因此表面簇集的水滴并不都會(huì)如你所愿地及時(shí)滑下來(lái)，它們很有可能會(huì)不斷“侵占”表面，從而使其最終失去功能。

至于普利卡科斯他們新開發(fā)的基于納米金的鏡片涂層，它們也毋庸置疑會(huì)發(fā)揮防霧、除霧的作用，但能否滿足長(zhǎng)久使用的需求，以及完勝目前的產(chǎn)品還有待檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]https://www.nature.com/articles/s41565-022-01267-1#Sec15

[2]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04481

[3]https://www.nature.com/articles/s41565-022-01269-z

[4]https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.09.001

[5]https://doi.org/10.1016/0275-5408(95)00023-2

[6]https://phys.org/news/2019-03-nanotechnology-sunlight-visibility.html

[7]https://www.zmescience.com/science/news-science/new-ultrathin-gold-coating-can-make-your-glasses-defog-themselves/

[8]https://www.zmescience.com/other/feature-post/how-to-prevent-your-glasses-from-fogging-when-wearing-a-face-mask/

作者｜王怡博

來(lái)源：環(huán)球科學(xué)

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