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戴上口罩后,如何优雅地佩戴眼镜

环球科学 2023/1/14 18:41:04 责编:梦泽

图片来源:苏黎世联邦理工学院

戴上口罩之后最大的困扰之一就是,冬天眼镜会起雾。无论是刚走到室外,还是刚进入室内,眼前都顿时一片朦胧。对此,苏黎世联邦理工学院的科学家想出了一种新方法 —— 在一定的光刺激下让镜片自发加热,而无需擦拭它们,以免一些化学品破坏原本的镜片镀膜。

自从戴上口罩,走在路上就多了一个动作:用手按压口罩上鼻梁两侧的金属条。尤其是在冬天,因为自己呼出的热气会顺着口罩与脸的缝隙爬到眼镜里面,在镜面上如涨潮一般留下一层水滴,即产生雾气;幸运的话,雾气很快“退潮”便会散去。但如果你不得不从外面走进地铁站,你会发现眼镜的外面也被覆盖了一层雾。

眼镜起雾其实是由于眼镜与周围空气存在温差,而使水蒸气冷凝为水的过程。值得一提的是,镜片上原本还有几层额外的膜,以减少反射、防水防油防蓝光等,它们往往属于疏水材料,使水很难粘湿镜面,从而形成水滴。这些小水滴会使入射光向四面八方散开而导致人看不清。

这时,如果被动地等待眼镜上的水滴蒸发以消散雾气,你也许要顶着这样一副朦胧的眼镜继续往前走几分钟。但除此之外,你还能做些什么?

迪莫斯・普利卡科斯(Dimos Poulikakos)是苏黎世联邦理工学院热力学系的主任,也是该校新兴技术热力学实验室的创始人,主要从事界面和热力学相关的研究。普利卡科斯和同事对眼镜起雾这件事非常感兴趣,从大约 6 年前就开始思考如何开发一种新的眼镜涂层。他们期望这种涂层既能快速除雾或防止起雾,又能与现有技术相匹配来实现规模生产。最近,普利卡科斯的团队在《自然・纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上发表了他们的最新成果。

让眼镜自己加热?

这项新技术的特殊之处在于,它模仿了车后窗的除霜器。有车的人应该知道车后窗玻璃上的一条条横线其实是电热丝,目的是通电加热来加快蒸发,以达到除霜 / 雾的效果。不过,相比于人为主动地提供能量(如电能),普利卡科斯和同事想到,可不可以在日常环境中(有一定的光照),就能让镜片的部分区域自行加热以减小温差,从而防止雾气的产生或加快除雾的速度

图片来源:pixabay

“人们通常会用深色表面来吸收光,以将其转变为热量。”普利卡科斯团队的一位博士生埃夫斯特雷克斯・米特里迪斯(Efstratios Mitridis)说道。但我们知道眼镜必须得足够透亮,所以他们需要设计特殊的透明涂层,使其既具备足够高的透光率,也能实现类似于深色表面的效果:吸收足够多的红外线来提高物体温度。

科学家已经知道,对于金属纳米颗粒(可以看作一种特殊的等离子体)而言,当金属表面自由电子的振荡频率与入射光的频率相当时就会产生共振,因此会对相应波长的光产生很强的局部吸收作用,同时让其他波长的光透过。其共振频率往往出现在可见光波段内。

如今,在人为制造的一些光学超材料中,科学家往往会将特定形式的纳米粒子嵌在不同的表面上,并通过堆叠形成一类多层结构。他们可以调整纳米粒子的大小、位置和方向,或者改变每一层纳米粒子的厚度,以调控光与纳米粒子之间的相互作用,从而让材料表现出不同的光学性能。例如,使等离子体共振频率拓宽到近红外波段。这也是普利卡科斯的团队最终选择的一种策略。

这支研究团队的思路:制备一类超材料涂层使尽可能多的可见光透过,同时尽可能吸收更多的近红外光。

沿着这种思路,他们在 2019 年第一次报道了他们所制备的涂层,它由一层二氧化钛与一层金纳米颗粒交替重复堆叠而成。“我们的涂层会吸收太阳光中的红外线以及一部分可见光,”这项研究的第一作者克里斯托弗・沃克(Christopher Walker)说,“吸收的光会被转变为热能。”这可以使镜片的温度提高 3~4℃,从而缩小导致眼镜起雾的温差。这项研究发表在 Nano Letters 杂志上。

但是,这一版本的涂层的可见光透过率仅有约 36%,吸收率则达到了约 30%~40%(以可见光为例,可见光的透过率 + 吸收率 + 反射率 = 1)。这很有可能会影响镜片的透光率,以及最终的清晰度和失真度。因此,在接下来的 3 年里,普利卡科斯和同事一直在试图优化材料结构,以寻找光学效果更好的眼镜涂层。而性质的突变会出现在哪里?

又过了 3 年……

逾渗阈值(percolation threshold)以及逾渗现象常常会用在导电复合材料中,这种材料有一个非常重要的特征:它们的导电率会随导电粒子体积分数的增加呈非线性递增,并且在某一个临界值突然增大,变化幅度可达 10 个数量级以上,然后呈非线性递减。

根据产生逾渗现象的原因,我们或许可以推测,随着纳米金浓度的增加,当这些纳米金形成某种连续网络时,材料的光学性质就突然迅速增加了。这支研究团队就是这么想和做的。他们想要利用这种逾渗概念,找到眼镜涂层的光学性能阈值。

相比于 2019 年用过的金纳米颗粒,他们这次选择用一种传统的热蒸发工艺,制备纳米金的薄膜。按照他们的说法,当金沉积在基板上时会先形成岛,但这些岛尺寸较小且彼此独立,难以发生集体共振;随着更多的金沉积,这些岛之间就会实现电气连接,成为一个更大的、相互连接的网络

实际上,这层纳米金的薄膜被夹在两层二氧化钛之间,当纳米金薄膜的厚度为 4.75 纳米时,这种结构的材料拥有最大的近红外光吸收率 —— 约 36.9%,同时具备较高的可见光透光率(67.1%),并且几乎不吸收可见光 —— 举例来说,近红外光吸收率 = 吸收的近红外光 / 吸收的入射光。

更重要的是,这种新涂层甚至可以在 1 个太阳光的辐射(经过计算,物理学家已经证实,地球上太阳光辐射的功率密度约为 1000 瓦特 / 平方米,因此将其简称为 1 个太阳光辐射)下使眼镜升温 8.3℃;即使是在 0.6 个太阳光辐射下也能升温 5.4℃

其中的一个镜片涂有他们新开发的超材料,另一个未作处理。结果显示,超材料涂层起到了防止镜片起雾的作用,而未作处理的则完全起雾。图片来源:原论文

当然,实际应用时可能会遇到阳光辐射非常弱的情况,那时这种涂层还能发挥加热的作用吗?

还好眼镜有两个镜片,所以很容易实现对照试验:其中的一个镜片涂有他们新开发的超材料,另一个未作处理。首先,普利卡科斯的团队将这副眼镜放置在室外,并暴露在阳光(强度为 0.2~0.3 个太阳光辐射)下 5 分钟。然后,戴着口罩的研究人员戴上这副眼镜并呼气。很显然,未作处理的镜片完全起雾,而涂有超材料涂层的镜片,即使在这种非理想条件下也能保持完整的可见度

研究人员将涂有这种涂层的材料带到了瑞士山上,以进行测试。图片来源:原论文

普利卡科斯和同事甚至将涂有这种涂层的聚酯片 / 二氧化硅晶片带到了瑞士山上,以证实它在恶劣户外条件下的防雾 / 除雾能力。

走向市场

他们对此提交了专利申请并期望能够走向市场。但一想到涂层中的金,你可能就对它望而却步了。但科学家已经提前替你算了一笔账,发现没有那么贵:“由于纳米金薄膜的厚度不到 5 纳米,所以整体涂层只需要很少的金。具体来说,每平方米的涂层含有 100 毫克的金,这意味着一副眼镜需要大约 0.3 毫克的金,换算为美元就是 0.017(相当于 11.5 分人民币)。”这项新研究的第一作者伊万・海希勒(Iwan Haechler)说道。当然,整体涂层以及其他价格未包含在内。

说起产品,目前市场上的主打产品防雾湿巾是通过擦拭,在镜片上留下一层膜来防止起雾。它们无非包含亲水性或疏水性材料,但擦拭过程中可能会破坏原本的镜片镀膜。至于原理,它们主要是通过调整表面润湿性来改变水滴与镜片表面之间的接触角,与普利卡科斯团队的策略完全不同。

例如,超亲水材料可以使水滴铺展开来形成水膜,以便让光透过去。因此,肉眼看上去镜片似乎是透明的,但实际上并没有阻止水蒸气的冷凝。不过,亲水表面的表面能较高,因此很容易吸附污垢、灰尘、油滴等杂质,仅仅一点杂质就能削弱超亲水表面的性能。

而说起超疏水表面,我们可以想象一下荷叶上的露珠 —— 超疏水表面就是在模仿荷叶的结构,从而使水滴不粘湿表面并离开。但制备如此完美的仿生结构是一件极具挑战性的事情。因此表面簇集的水滴并不都会如你所愿地及时滑下来,它们很有可能会不断“侵占”表面,从而使其最终失去功能。

至于普利卡科斯他们新开发的基于纳米金的镜片涂层,它们也毋庸置疑会发挥防雾 / 除雾的作用,但能否满足长久使用的需求,以及完胜目前的产品还有待检验。

适当憋气也是个好技能

原论文:

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

参考链接:

  • https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04481

  • https://www.nature.com/articles/s41565-022-01269-z

  • https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.09.001

  • https://doi.org/10.1016/0275-5408(95)00023-2

  • https://phys.org/news/2019-03-nanotechnology-sunlight-visibility.html

  • https://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/

本文来自微信公众号:环球科学 (ID:huanqiukexue)撰文:王怡博,审校:栗子

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关键词:眼镜镜片

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