苏黎世联邦理工学院：再也不怕眼镜起雾了！透明防雾超材料，防雾性能提高4倍！

颗粒在线讯：表面起雾时透明度和可见度的损失会带来很多麻烦，也会影响许多日常活动，尤其是在冬天戴口罩时，眼镜非常容易起雾。表面起雾通常是由于温度降低或周围环境相对湿度增加，导致表面上大量微滴成核。这些微滴散射入射光，从而对透明度和可见度产生了不利影响。

为了在保持透明度的同时缓解起雾现象，研究人员已经进行了各种尝试。例如，通过超亲水表面或表面活性剂，改变表面能，形成一层基本连续的薄层冷凝物。这样，当入射光散射度变小，就可以保持镜片的透明度。然而，由于重力、干燥和污染物，水膜并不总是均匀的，从而导致可见度失真。这些表面由于其高表面能而很容易受到有机污染物的污染，严重限制了其长期有效性。而效果更持久的被动解决方案依赖于微图案和纳米图案的超疏水表面，其目标是自动去除表面上的冷凝水滴。由于这些表面的低表面能和纹理，冷凝液滴会保持高流动性，因此避免了水滴在表面上的钉扎。然而，当暴露在高相对湿度的环境中时，纹理中的纳米尺度成核会破坏表面的超疏水特性。因此，亟需一种长期、被动的解决方案来实现在完全除雾的同时，还能保持高能见度。

近期，苏黎世联邦理工学院Dimos Poulikakos团队设计了一种透明的、由阳光激活的光热涂层，可抑制雾化。该超材料涂层包含一层纳米级厚度的渗透金层，在近红外范围内吸收能力最强，其中一半的阳光能量存在于近红外范围，从而保持可见光下的透明度。与未涂覆的样品相比，光诱导加热效应可实现持续和优异的防雾（4倍改善）和除雾（3倍改善）性能，即使在多云条件下，室内和室外的整体性能也十分卓越。该涂层极薄（~10 nm），可以通过标准的、易量产的制造工艺生产（溅射和热蒸发），且对材料的要求很低，这为其直接应用奠定了基础。该研究以题为“Transparent sunlight-activated antifogging metamaterials”的论文发表在最新一期《Nature Nanotechnology》上。

超材料涂层的制备及其光学性能

作者设计涂层的目标是实现NIR中的高宽带吸收和可见光中的高透明度（图1a）。实验结果表明，在金的厚度较大的情况下，薄膜变得更具金属性，并在近红外中失去宽带吸收行为（图1b）。当金沉积在基底上时，形成了小岛。由于带间跃迁，这些断开的单个岛太小，无法支持共振和吸收。然而，随着岛的密度增加，单个孤立岛之间的光学耦合开始发生，从而加强了近红外吸收。共振波长取决于间隙距离。随着更多的金沉积，这些岛电连接，形成复杂的弯曲金结构，可以吸收各种入射波长。渗流极限处的复杂图案吸收NIR中的所有入射波长，达到最大吸收。作者将优化的金层封装在两个二氧化钛层之间。这些层形成纳米结构，其中吸收金属膜嵌入大折射率基质中。图1c证实了可见光中的高透射率（67.1%）。同时，涂层在NIR中表现出强烈的宽带吸收（36.9%)。显然，在渗流阈值处，通常在共振频率处引起强烈局域吸收的等离子体共振被共振频率以上的宽带吸收所取代。

图1. 超材料涂层的设计和光学性能

图2a显示了涂层的横截面图，说明了渗透金层的随机性。如图2b中的表征结果所示，，金层均匀地嵌入在两个纳米级光滑的TiO2层之间。图2b展示了实际的金（~6–7 nm）和TiO2（~3 nm）层厚度。渗透图案的随机性质进一步使吸收率与入射光的入射角θ无关（图2c）。该涂层能在获得近30%入射太阳能（280–2000 nm）的同时保持透明。

图2. 超材料涂层的结构和角色散关系

超材料涂层的光热性能

作者模拟了在受控太阳光照下，涂覆有超材料的熔融二氧化硅衬底的表面温度Ts（图3a）。在1个日照强度（相当于1000 W m-2）下，涂层显示出高于环境温度的最强温度升高（图3b）。此外，作者还在更接近现实的条件下测试了涂层，结果表明，较弱的辐照度足以将冷凝液成核率降低几个数量级。图3c表明随着稳态温度增加，涂层的光热响应更显著。

图3. 实验装置和光热性能

超材料涂层的防雾和除雾性能

接下来，作者测试了涂层的抗表面雾化（防雾）性能。作者通过量化被雾覆盖的区域面积来评估防雾性能。实验结果表明，与对照样品相比，涂层的抗雾性更强（图4 b，c）。与对照样品相比，涂层能承受4.12–4.9的超压，这意味着其防雾性能提高了4倍以上。

图4. 防雾性能

最后，作者评估了涂层的除雾性能，即表面完全雾化后的能见度恢复。为此，作者将对照样品和超材料涂层冷却2 分钟到~2 °C，直到形成冷凝。接着，作者立即将样品放置在实验装置上（图3a），并用阳光照射，同时记录表面雾的演变。作者通过被雾覆盖的面积随时间的演变来评估除雾性能（图5b）。实验结果表明，在给定的实验条件下，涂层的除雾性能相比对照组提高了3倍。

图5. 除雾性能和现实可行性

小结

该工作提出了一种超薄被动超材料涂层，在可见光下具有高透明度，在近红外下具有强吸收性能。通过夹在两个介电TiO2纳米层之间的金属金纳米膜的结构渗透效应，实现了光谱选择性和NIR中吸收率的加宽，形成的总厚度约为10 纳米。由于其超薄特性和标准制造工艺，涂层可以很容易地量产，并有可能集成到现有的多层涂层中，增加防雾功能。由金属金膜渗透引起的光学吸收性，可在1太阳照度下，实现高于环境温度8.3°C的光热响应。利用这种热响应，可以指数方式降低水蒸气成核的速率，并使耐雾性（防雾）提高近4倍。此外，与未涂覆的样品（除雾）相比，完全雾化的涂覆样品的能见度恢复要快3倍。作者将其应用于眼镜，并在真实的室外条件下证明了该材料的防雾效果。其每材料厚度比吸收的太阳能以及采用标准工业工艺的简单制造，使其能够应用于柔性、可折叠和便携式基板，即使在剧烈反复弯曲的情况下，也能完美地保持其光学和光热特性。

来源：高分子科学前沿