出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

監制：中國科普博覽

在之前的文章中，我們為大家介紹了傳統的鏡片防霧技術。其實，目前已經有很多種取得廣泛應用的鏡片防霧技術，而且還有更多的新技術在不斷涌現。

最近，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的科學家們就提出了一種可以在光照下被動自發加熱的鏡片涂層工藝，為鏡片防霧技術增加了一個全新選項。

防霧鏡片效果展示

（圖片來源：參考文獻1）

瑞士科學家發明新型鏡片除霧技術

首先，這項新技術同樣是被動式除霧，只要依賴涂層就可以讓霧氣退散，但他們的涂層從原理和工藝上來說都相當復雜。總結來說，**這是一種可以吸收日光并強烈發熱的涂層，它的溫度能比環境溫度高上接近10攝氏度，從而依靠這種自發熱來驅除霧氣。**那么，到底是怎么樣的涂層能夠在吸收日光后強烈發熱呢？

要想與陽光發生作用，傳統上來說，這種涂層應該是深色的，例如黑色。而黑色的物質之所以呈現黑色，就是因為它們吸收了日光中幾乎全部的可見光，幾乎不反射也不透過。生活經驗也告訴我們，黑色表面會因為吸收更多的日光而產生發熱效果。不過，這樣的黑色表面也可能會完全不透明，失去了作為鏡片涂層的前提。

所以，能夠應用于鏡片的自發熱材料至少應該具有下面的一些特征。**第一，對可見光吸收少，**這樣才能保持高的可見光透過率，從而在外觀上呈現透明。**第二，對日光中其他波段的光線（例如紅外線）有著強烈的吸收作用，**這樣才能夠獲得足夠的能量來對鏡片進行加熱。

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）

經過多次實驗，瑞士科學家們選擇了利用金作為涂層材料，是的，你沒看錯，就是黃金的金。日常經驗告訴我們，金顯然是一種不透明的材料，它怎么能用作鏡片涂層呢？雖然金本身不透明，但是假如使用特殊的工藝來制成非常薄的鍍金層，就完全可以做到相對透明，至少達到普通鏡片的水平。

一般來說，工藝上非常薄的鍍金層可以用熱蒸鍍、磁控濺射或者氣相沉積等方式實現，瑞士科學家們就使用了比較傳統的熱蒸鍍工藝。當蒸鍍剛開始時，金并不是以整層的形式附著在鏡片表面，而是會形成一個個孤立的“島嶼”，微觀上看這些“島嶼”之間還有大量的空間沒有被金占據，因此宏觀上仍然會呈現透明。此時，金層的厚度大約只有幾個納米。

采用蒸鍍技術制作的戰斗機頭盔眼罩

（圖片來源：維基百科）

實際上，上述的金層是夾在兩層二氧化鈦之間，構成所謂的超材料。這樣的鍍層構造不僅能夠盡可能讓可見光透過，保持宏觀透明，還能強烈吸收紅外線，從而在吸收日光后產生發熱效果。根據該團隊給出的數據，這種超材料涂層的近紅外光吸收率可達37%，同時保證67%的可見光透過率。當日光的輻射功率密度在1千瓦每平米時，可以讓鏡片溫度升高8.3攝氏度。在日照并不強烈的環境下，超材料鍍層仍然能夠表現出比普通的樹脂或者玻璃鏡片更加優異的防霧效果。

新型超材料涂層會是完美的解決方案嗎？

不得不說，瑞士科學家們提出的超材料鍍層，從所用原理到制備工藝，都頗有幾分“高端”色彩，可以說是具備了高度的創新性和科學性，但是它最終獲得大規模應用似乎還有很遠的路要走。

首先是材料成本，毫無疑問，金是高價材料。雖然根據瑞士團隊的推算結果，由于鍍層非常薄，實際上每副眼鏡所需的鍍層大約是0.3毫克，差不多是不到1毛2分錢。不過，這一算法顯然有避重就輕的嫌疑。首先，蒸鍍的工藝過程中，實際上靶材的金原子是無法定向飛到鏡片上的，而是在整個蒸鍍腔內飛舞。一旦金原子沒有落到鏡片上（最終會附著在設備腔室表面），就失去了再次利用的可能。也就是說，蒸鍍過程中金的損耗將不可避免。

其次，和材料成本相比，制造成本更是一道難以逾越的關卡。蒸鍍技術要求設備內部維持非常高的真空度，這不僅需要高昂的設備制造成本，還嚴重損耗了生產效率。想要達到蒸鍍所需的真空度，可能需要幾個小時來抽真空，并且設備腔室的尺寸也存在上限，無法利用一次蒸鍍同時制作非常多的鏡片。

和傳統的親水式及吸水式去霧技術相比，蒸鍍工藝帶來的成本提升是顯而易見的，在成本方面可以說是完敗。

在性能方面，眼鏡鏡片不光只有防霧一個需求，佩戴后的透明度實際上是非常影響消費者體驗的一項指標。作為日常佩戴的普通鏡片，可見光透光率甚至可以達到99%以上。即便是鏡片厚度較高的高度近視鏡片，也有超過90%以上的透光率。超材料涂層天然的低透光率，必然嚴重影響其廣泛應用的前景。

而且，室內環境中的照明功率應該會弱于晴朗天氣下的室外日光功率，**超材料涂層在室內條件下是否還能發揮效力尚存疑問。**此外，超結構鍍層是否可以在長期使用的前提下仍然保持穩定的吸光發熱性能，也是需要實際檢驗的重要指標。

最后，防霧涂層遠非鏡片涂層的日常標配，與防霧相比，防污、防水漬、防眩光乃至防花粉都是同等甚至更加重要的需求。遺憾的是，以上各種涂層往往都無法和防霧涂層共存，消費者必須二擇其一。

這樣的情況下，我們將怎么選？超材料涂層在室外口罩場景下可能是比較有力的選項，畢竟口罩造成的濕氣強度很可能是親水式與吸水式涂層難以抵擋的，同時其較低的透光率可能恰好扮演了太陽鏡的角色。只是，我們將會永遠生活在必須日常佩戴口罩的時代嗎？

結語

說了這么多超材料除霧涂層的壞話，很可能會讓各位讀者誤以為筆者對這種材料持有批判態度。其實恰恰相反，作為一名材料工作者，對于任何一種新材料的出現，我們都會抱有極大的興趣和熱情。從來都沒有不好的材料，只有和應用場景匹配不好的材料。

而作為一種全新的材料，它的存在本身就是拓展了人類的技術邊界，從此以后，人類的“武器庫”中將擁有一件全新的“兵器”。當然，這件“兵器”是不是趁手，是不是能打，還需要經受時代的檢驗。

參考文獻：

【1】Transparent sunlight-activated antifogging metamaterials

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

【2】戴上口罩后，如何優雅地佩戴眼鏡？

https://mp.weixin.qq.com/s/Y1tOzONl2TRtHEGebwcb2A

【3】メガネの曇り止め加工とは？2種類のコーティングについて解説

https://weekly.jins.com/library/library66-anti-fog-processing.html

【4】后擋風玻璃為什么用電熱絲加熱？能用風吹嗎？

https://www.pcauto.com.cn/hj/article/287400.html

【5】你的眼鏡夠“透亮”嗎？

https://zhuanlan.zhihu.com/p/47453027

來源: 中國科普博覽

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