版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

自從(cong) 戴上口罩，走在路上就多了一個(ge) 動作：用手按壓口罩上鼻梁兩(liang) 側(ce) 的金屬條。尤其是在冬天，因為(wei) 自己呼出的熱氣會(hui) 順著口罩與(yu) 臉的縫隙爬到眼鏡裏麵，在鏡麵上如漲潮一般留下一層水滴，即產(chan) 生霧氣；幸運的話，霧氣很快“退潮”便會(hui) 散去。但如果你不得不從(cong) 外麵走進地鐵站，你會(hui) 發現眼鏡的外麵也被覆蓋了一層霧。

圖庫版權圖片，不授權轉載

眼鏡起霧其實是由於(yu) 眼鏡與(yu) 周圍空氣存在溫差，而使水蒸氣冷凝為(wei) 水的過程。值得一提的是，鏡片上原本還有幾層額外的膜，以減少反射、防水防油防藍光等，它們(men) 往往屬於(yu) 疏水材料，使水很難粘濕鏡麵，從(cong) 而形成水滴。這些小水滴會(hui) 使入射光向四麵八方散開而導致人看不清。

這時，如果被動地等待眼鏡上的水滴蒸發以消散霧氣，你也許要頂著這樣一副朦朧的眼鏡繼續往前走幾分鍾。但除此之外，你還能做些什麽(me) ？

迪莫斯·普利卡科斯（Dimos Poulikakos）是蘇黎世聯邦理工學院熱力學係的主任，也是該校新興(xing) 技術熱力學實驗室的創始人，主要從(cong) 事界麵和熱力學相關(guan) 的研究。普利卡科斯和同事對眼鏡起霧這件事非常感興(xing) 趣，從(cong) 大約6年前就開始思考如何開發一種新的眼鏡塗層。他們(men) 期望這種塗層既能快速除霧或防止起霧，又能與(yu) 現有技術相匹配來實現規模生產(chan) 。最近，普利卡科斯的團隊在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）雜誌上發表了他們(men) 的最新成果。

01

讓眼鏡自己加熱？

這項新技術的特殊之處在於(yu) ，它模仿了車後窗的除霜器。有車的人應該知道車後窗玻璃上的一條條橫線其實是電熱絲(si) ，目的是通電加熱來加快蒸發，以達到除霜/霧的效果。不過，相比於(yu) 人為(wei) 主動地提供能量（如電能），普利卡科斯和同事想到，可不可以在日常環境中（有一定的光照），就能讓鏡片的部分區域自行加熱以減小溫差，從(cong) 而防止霧氣的產(chan) 生或加快除霧的速度？

圖庫版權圖片，不授權轉載

“人們(men) 通常會(hui) 用深色表麵來吸收光，以將其轉變為(wei) 熱量。”普利卡科斯團隊的一位博士生埃夫斯特雷克斯·米特裏迪斯（Efstratioses Mitridis）說道。但我們(men) 知道眼鏡必須得足夠透亮，所以他們(men) 需要設計特殊的透明塗層，**使其既具備足夠高的透光率，也能實現類似於(yu) 深色表麵的效果：**吸收足夠多的紅外線來提高物體(ti) 溫度。

科學家已經知道，對於(yu) 金屬納米顆粒（可以看作一種特殊的等離子體(ti) ）而言，當金屬表麵自由電子的振蕩頻率與(yu) 入射光的頻率相當時就會(hui) 產(chan) 生共振，因此會(hui) 對相應波長的光產(chan) 生很強的局部吸收作用，同時讓其他波長的光透過。其共振頻率往往出現在可見光波段內(nei) 。

如今，在人為(wei) 製造的一些光學超材料中，科學家往往會(hui) 將特定形式的納米粒子嵌在不同的表麵上，並通過堆疊形成一類多層結構。他們(men) 可以調整納米粒子的大小、位置和方向，或者改變每一層納米粒子的厚度，以調控光與(yu) 納米粒子之間的相互作用，從(cong) 而讓材料表現出不同的光學性能。例如，使等離子體(ti) 共振頻率拓寬到近紅外波段。這也是普利卡科斯的團隊最終選擇的一種策略。

這支研究團隊的思路：製備一類超材料塗層使盡可能多的可見光透過，同時盡可能吸收更多的近紅外光。圖片來源：參考文獻[1]

沿著這種思路，他們(men) 在2019年第一次報道了他們(men) 所製備的塗層，它由一層二氧化鈦與(yu) 一層金納米顆粒交替重複堆疊而成。“我們(men) 的塗層會(hui) 吸收太陽光中的紅外線以及一部分可見光，”這項研究的第一作者克裏斯托弗·沃克（Christopher Walker）說，“吸收的光會(hui) 被轉變為(wei) 熱能。”這可以使鏡片的溫度提高3~4℃，從(cong) 而縮小導致眼鏡起霧的溫差。這項研究發表在Nano Letters雜誌上。

但是，這一版本的塗層的可見光透過率僅(jin) 有約36%，吸收率則達到了約30%~40%（以可見光為(wei) 例，可見光的透過率+吸收率+反射率=1）。這很有可能會(hui) 影響鏡片的透光率，以及最終的清晰度和失真度。因此，在接下來的3年裏，普利卡科斯和同事一直在試圖優(you) 化材料結構，以尋找光學效果更好的眼鏡塗層。而性質的突變會(hui) 出現在哪裏？

02

納米金薄膜

逾滲閾值（percolation threshold）以及逾滲現象常常會(hui) 用在導電複合材料中，這種材料有一個(ge) 非常重要的特征：它們(men) 的導電率會(hui) 隨導電粒子體(ti) 積分數的增加呈非線性遞增，並且在某一個(ge) 臨(lin) 界值突然增大，變化幅度可達10個(ge) 數量級以上，然後呈非線性遞減。

根據產(chan) 生逾滲現象的原因，我們(men) 或許可以推測，隨著納米金濃度的增加，當這些納米金形成某種連續網絡時，材料的光學性質就突然迅速增加了。這支研究團隊就是這麽(me) 想和做的。他們(men) 想要利用這種逾滲概念，找到眼鏡塗層的光學性能閾值。

相比於(yu) 2019年用過的金納米顆粒，他們(men) 這次選擇用一種傳(chuan) 統的熱蒸發工藝，製備納米金的薄膜。按照他們(men) 的說法，當金沉積在基板上時會(hui) 先形成島，但這些島尺寸較小且彼此獨立，難以發生集體(ti) 共振；隨著更多的金沉積，這些島之間就會(hui) 實現電氣連接，成為(wei) 一個(ge) 更大的、相互連接的網絡。

實際上，這層納米金的薄膜被夾在兩(liang) 層二氧化鈦之間，當納米金薄膜的厚度為(wei) 4.75 納米時，這種結構的材料擁有最大的近紅外光吸收率——約36.9%，同時具備較高的可見光透光率（67.1%），並且幾乎不吸收可見光——舉(ju) 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，這種新塗層甚至可以在1個(ge) 太陽光的輻射（經過計算，物理學家已經證實，地球上太陽光輻射的功率密度約為(wei) 1000 瓦特/平方米，因此將其簡稱為(wei) 1個(ge) 太陽光輻射）下使眼鏡升溫8.3℃；即使是在0.6個(ge) 太陽光輻射下也能升溫5.4℃。

其中的一個(ge) 鏡片塗有他們(men) 新開發的超材料，另一個(ge) 未作處理。結果顯示，超材料塗層起到了防止鏡片起霧的作用，而未作處理的則完全起霧。圖片來源：參考文獻[1]

當然，實際應用時可能會(hui) 遇到陽光輻射非常弱的情況，那時這種塗層還能發揮加熱的作用嗎？

還好眼鏡有兩(liang) 個(ge) 鏡片，所以很容易實現對照試驗：其中的一個(ge) 鏡片塗有他們(men) 新開發的超材料，另一個(ge) 未作處理。首先，普利卡科斯的團隊將這副眼鏡放置在室外，並暴露在陽光（強度為(wei) 0.2~0.3 個(ge) 太陽光輻射）下5分鍾。然後，戴著口罩的研究人員戴上這副眼鏡並呼氣。很顯然，未作處理的鏡片完全起霧，而塗有超材料塗層的鏡片，即使在這種非理想條件下也能保持完整的可見度。

研究人員將塗有這種塗層的材料帶到了瑞士山上，以進行測試。圖片來源：參考文獻[1]

普利卡科斯和同事甚至將塗有這種塗層的聚酯片、二氧化矽晶片帶到了瑞士山上，以證實它在惡劣戶外條件下的防霧、除霧能力。

03

走向市場

他們(men) 對此提交了專(zhuan) 利申請並期望能夠走向市場。但一想到塗層中的金，你可能就對它望而卻步了。但科學家已經提前替你算了一筆賬，發現沒有那麽(me) 貴：“由於(yu) 納米金薄膜的厚度不到5納米，所以整體(ti) 塗層隻需要很少的金。具體(ti) 來說，每平方米的塗層含有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(wei) 美元就是 0.017（相當於(yu) 11.5 分人民幣）。”這項新研究的第一作者伊萬(wan) ·海希勒（Iwan Haechler）說道。當然，整體(ti) 塗層以及其他價(jia) 格未包含在內(nei) 。

說起產(chan) 品，目前市場上的主打產(chan) 品防霧濕巾是通過擦拭，在鏡片上留下一層膜來防止起霧。它們(men) 無非包含親(qin) 水性或疏水性材料，但擦拭過程中可能會(hui) 破壞原本的鏡片鍍膜。至於(yu) 原理，它們(men) 主要是通過調整表麵潤濕性來改變水滴與(yu) 鏡片表麵之間的接觸角，與(yu) 普利卡科斯團隊的策略完全不同。

例如，超親(qin) 水材料可以使水滴鋪展開來形成水膜，以便讓光透過去。因此，肉眼看上去鏡片似乎是透明的，但實際上並沒有阻止水蒸氣的冷凝。不過，親(qin) 水表麵的表麵能較高，因此很容易吸附汙垢、灰塵、油滴等雜質，僅(jin) 僅(jin) 一點雜質就能削弱超親(qin) 水表麵的性能。

而說起超疏水表麵，我們(men) 可以想象一下荷葉上的露珠——超疏水表麵就是在模仿荷葉的結構，從(cong) 而使水滴不粘濕表麵並離開。但製備如此完美的仿生結構是一件極具挑戰性的事情。因此表麵簇集的水滴並不都會(hui) 如你所願地及時滑下來，它們(men) 很有可能會(hui) 不斷“侵占”表麵，從(cong) 而使其最終失去功能。

至於(yu) 普利卡科斯他們(men) 新開發的基於(yu) 納米金的鏡片塗層，它們(men) 也毋庸置疑會(hui) 發揮防霧、除霧的作用，但能否滿足長久使用的需求，以及完勝目前的產(chan) 品還有待檢驗。

參考文獻：

[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

來源：環球科學

歡迎掃碼關(guan) 注深i科普！

我們(men) 將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物！