鏡片起霧（下）：新發(fā)明真的能一次性解決鏡片起霧問題嗎？

出品：科普中國

作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）

監(jiān)制：中國科普博覽

在之前的文章中，我們?yōu)榇蠹医榻B了傳統(tǒng)的鏡片防霧技術(shù)。其實(shí)，目前已經(jīng)有很多種取得廣泛應(yīng)用的鏡片防霧技術(shù)，而且還有更多的新技術(shù)在不斷涌現(xiàn)。

最近，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們就提出了一種可以在光照下被動(dòng)自發(fā)加熱的鏡片涂層工藝，為鏡片防霧技術(shù)增加了一個(gè)全新選項(xiàng)。

防霧鏡片效果展示

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

瑞士科學(xué)家發(fā)明新型鏡片除霧技術(shù)

首先，這項(xiàng)新技術(shù)同樣是被動(dòng)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(dāng)復(fù)雜?？偨Y(jié)來說，**這是一種可以吸收日光并強(qiáng)烈發(fā)熱的涂層，它的溫度能比環(huán)境溫度高上接近10攝氏度，從而依靠這種自發(fā)熱來驅(qū)除霧氣。**那么，到底是怎么樣的涂層能夠在吸收日光后強(qiáng)烈發(fā)熱呢？

要想與陽光發(fā)生作用，傳統(tǒng)上來說，這種涂層應(yīng)該是深色的，例如黑色。而黑色的物質(zhì)之所以呈現(xiàn)黑色，就是因?yàn)樗鼈兾樟巳展庵袔缀跞康目梢姽猓瑤缀醪环瓷湟膊煌高^。生活經(jīng)驗(yàn)也告訴我們，黑色表面會(huì)因?yàn)槲崭嗟娜展舛a(chǎn)生發(fā)熱效果。不過，這樣的黑色表面也可能會(huì)完全不透明，失去了作為鏡片涂層的前提。

所以，能夠應(yīng)用于鏡片的自發(fā)熱材料至少應(yīng)該具有下面的一些特征。**第一，對(duì)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(xiàn)透明。**第二，對(duì)日光中其他波段的光線（例如紅外線）有著強(qiáng)烈的吸收作用，**這樣才能夠獲得足夠的能量來對(duì)鏡片進(jìn)行加熱。

使盡可能多的可見光透過，同時(shí)盡可能吸收更多的近紅外光

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，瑞士科學(xué)家們選擇了利用金作為涂層材料，是的，你沒看錯(cuò)，就是黃金的金。日常經(jīng)驗(yàn)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(duì)透明，至少達(dá)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(shí)現(xiàn)，瑞士科學(xué)家們就使用了比較傳統(tǒng)的熱蒸鍍工藝。當(dāng)蒸鍍剛開始時(shí)，金并不是以整層的形式附著在鏡片表面，而是會(huì)形成一個(gè)個(gè)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(jù)，因此宏觀上仍然會(huì)呈現(xiàn)透明。此時(shí)，金層的厚度大約只有幾個(gè)納米。

采用蒸鍍技術(shù)制作的戰(zhàn)斗機(jī)頭盔眼罩

（圖片來源：維基百科）

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

新型超材料涂層會(huì)是完美的解決方案嗎？

不得不說，瑞士科學(xué)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(chuàng)新性和科學(xué)性，但是它最終獲得大規(guī)模應(yīng)用似乎還有很遠(yuǎn)的路要走。

首先是材料成本，毫無疑問，金是高價(jià)材料。雖然根據(jù)瑞士團(tuán)隊(duì)的推算結(jié)果，由于鍍層非常薄，實(shí)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(shí)際上靶材的金原子是無法定向飛到鏡片上的，而是在整個(gè)蒸鍍腔內(nèi)飛舞。一旦金原子沒有落到鏡片上（最終會(huì)附著在設(shè)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(guān)卡。蒸鍍技術(shù)要求設(shè)備內(nèi)部維持非常高的真空度，這不僅需要高昂的設(shè)備制造成本，還嚴(yán)重?fù)p耗了生產(chǎn)效率。想要達(dá)到蒸鍍所需的真空度，可能需要幾個(gè)小時(shí)來抽真空，并且設(shè)備腔室的尺寸也存在上限，無法利用一次蒸鍍同時(shí)制作非常多的鏡片。

和傳統(tǒng)的親水式及吸水式去霧技術(shù)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(gè)需求，佩戴后的透明度實(shí)際上是非常影響消費(fèi)者體驗(yàn)的一項(xiàng)指標(biāo)。作為日常佩戴的普通鏡片，可見光透光率甚至可以達(dá)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(yán)重影響其廣泛應(yīng)用的前景。

而且，室內(nèi)環(huán)境中的照明功率應(yīng)該會(huì)弱于晴朗天氣下的室外日光功率，**超材料涂層在室內(nèi)條件下是否還能發(fā)揮效力尚存疑問。**此外，超結(jié)構(gòu)鍍層是否可以在長期使用的前提下仍然保持穩(wěn)定的吸光發(fā)熱性能，也是需要實(shí)際檢驗(yàn)的重要指標(biāo)。

最后，防霧涂層遠(yuǎn)非鏡片涂層的日常標(biāo)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(fèi)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(chǎng)景下可能是比較有力的選項(xiàng)，畢竟口罩造成的濕氣強(qiáng)度很可能是親水式與吸水式涂層難以抵擋的，同時(shí)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(huì)永遠(yuǎn)生活在必須日常佩戴口罩的時(shí)代嗎？

結(jié)語

說了這么多超材料除霧涂層的壞話，很可能會(huì)讓各位讀者誤以為筆者對(duì)這種材料持有批判態(tài)度。其實(shí)恰恰相反，作為一名材料工作者，對(duì)于任何一種新材料的出現(xiàn)，我們都會(huì)抱有極大的興趣和熱情。從來都沒有不好的材料，只有和應(yīng)用場(chǎng)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(shù)邊界，從此以后，人類的“武器庫”中將擁有一件全新的“兵器”。當(dāng)然，這件“兵器”是不是趁手，是不是能打，還需要經(jīng)受時(shí)代的檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

【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(yōu)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(fēng)玻璃為什么用電熱絲加熱？能用風(fēng)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