01

一種透明的、由陽(yáng)光激活的光熱涂層

表面起霧時(shí)透明度和可見度的損失會(huì)帶來很多麻煩，也會(huì)影響許多日常活動(dòng)，尤其是在冬天戴口罩時(shí)，眼鏡非常容易起霧。

表面起霧通常是由于溫度降低或周圍環(huán)境相對(duì)濕度增加，導(dǎo)致表面上大量微滴成核。這些微滴散射入射光，從而對(duì)透明度和可見度產(chǎn)生了不利影響。為了在保持透明度的同時(shí)緩解起霧現(xiàn)象，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了各種嘗試。

例如，通過超親水表面或表面活性劑，改變表面能，形成一層基本連續(xù)的薄層冷凝物。這樣，當(dāng)入射光散射度變小，就可以保持鏡片的透明度。

然而，由于重力、干燥和污染物，水膜并不總是均勻的，從而導(dǎo)致可見度失真。這些表面由于其高表面能而很容易受到有機(jī)污染物的污染，嚴(yán)重限制了其長(zhǎng)期有效性。

而效果更持久的被動(dòng)解決方案依賴于微圖案和納米圖案的超疏水表面，其目標(biāo)是自動(dòng)去除表面上的冷凝水滴。

由于這些表面的低表面能和紋理，冷凝液滴會(huì)保持高流動(dòng)性，因此避免了水滴在表面上的釘扎。然而，當(dāng)暴露在高相對(duì)濕度的環(huán)境中時(shí)，紋理中的納米尺度成核會(huì)破壞表面的超疏水特性。因此，亟需一種長(zhǎng)期、被動(dòng)的解決方案來實(shí)現(xiàn)在完全除霧的同時(shí)，還能保持高能見度。

近期，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Dimos Poulikakos團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種透明的、由陽(yáng)光激活的光熱涂層，可抑制霧化。

該超材料涂層包含一層納米級(jí)厚度的滲透金層，在近紅外范圍內(nèi)吸收能力最強(qiáng)，其中一半的陽(yáng)光能量存在于近紅外范圍，從而保持可見光下的透明度。

與未涂覆的樣品相比，光誘導(dǎo)加熱效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)持續(xù)和優(yōu)異的防霧（4倍改善）和除霧（3倍改善）性能，即使在多云條件下，室內(nèi)和室外的整體性能也十分卓越。

該涂層極薄（~10 nm），可以通過標(biāo)準(zhǔn)的、易量產(chǎn)的制造工藝生產(chǎn)（濺射和熱蒸發(fā)），且對(duì)材料的要求很低，這為其直接應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該研究以題為“Transparent sunlight-activated antifogging metamaterials”的論文發(fā)表在最新一期《Nature Nanotechnology》上。

02

超材料涂層的制備及其光學(xué)性能

作者設(shè)計(jì)涂層的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)NIR中的高寬帶吸收和可見光中的高透明度（圖1a）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在金的厚度較大的情況下，薄膜變得更具金屬性，并在近紅外中失去寬帶吸收行為（圖1b）。當(dāng)金沉積在基底上時(shí)，形成了小島。由于帶間躍遷，這些斷開的單個(gè)島太小，無法支持共振和吸收。

然而，隨著島的密度增加，單個(gè)孤立島之間的光學(xué)耦合開始發(fā)生，從而加強(qiáng)了近紅外吸收。共振波長(zhǎng)取決于間隙距離。隨著更多的金沉積，這些島電連接，形成復(fù)雜的彎曲金結(jié)構(gòu)，可以吸收各種入射波長(zhǎng)。滲流極限處的復(fù)雜圖案吸收NIR中的所有入射波長(zhǎng)，達(dá)到最大吸收。

作者將優(yōu)化的金層封裝在兩個(gè)二氧化鈦層之間。這些層形成納米結(jié)構(gòu)，其中吸收金屬膜嵌入大折射率基質(zhì)中。圖1c證實(shí)了可見光中的高透射率（67.1%）。同時(shí)，涂層在NIR中表現(xiàn)出強(qiáng)烈的寬帶吸收（36.9%)。顯然，在滲流閾值處，通常在共振頻率處引起強(qiáng)烈局域吸收的等離子體共振被共振頻率以上的寬帶吸收所取代。

圖1.超材料涂層的設(shè)計(jì)和光學(xué)性能

圖2a顯示了涂層的橫截面圖，說明了滲透金層的隨機(jī)性。如圖2b中的表征結(jié)果所示，金層均勻地嵌入在兩個(gè)納米級(jí)光滑的TiO2層之間。圖2b展示了實(shí)際的金（~6–7 nm）和TiO2（~3 nm）層厚度。滲透圖案的隨機(jī)性質(zhì)進(jìn)一步使吸收率與入射光的入射角θ無關(guān)（圖2c）。該涂層能在獲得近30%入射太陽(yáng)能（280–2000 nm）的同時(shí)保持透明。

圖2.超材料涂層的結(jié)構(gòu)和角色散關(guān)系

03

超材料涂層的光熱性

作者模擬了在受控太陽(yáng)光照下，涂覆有超材料的熔融二氧化硅襯底的表面溫度Ts（圖3a）。在1個(gè)日照強(qiáng)度（相當(dāng)于1000 W m-2）下，涂層顯示出高于環(huán)境溫度的最強(qiáng)溫度升高（圖3b）。此外，作者還在更接近現(xiàn)實(shí)的條件下測(cè)試了涂層，結(jié)果表明，較弱的輻照度足以將冷凝液成核率降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。圖3c表明隨著穩(wěn)態(tài)溫度增加，涂層的光熱響應(yīng)更顯著。

圖3.實(shí)驗(yàn)裝置和光熱性能

04

超材料涂層的防霧和除霧性能

接下來，作者測(cè)試了涂層的抗表面霧化（防霧）性能。作者通過量化被霧覆蓋的區(qū)域面積來評(píng)估防霧性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照樣品相比，涂層的抗霧性更強(qiáng)（圖4 b，c）。與對(duì)照樣品相比，涂層能承受4.12–4.9的超壓，這意味著其防霧性能提高了4倍以上。

圖4.防霧性能

最后，作者評(píng)估了涂層的除霧性能，即表面完全霧化后的能見度恢復(fù)。為此，作者將對(duì)照樣品和超材料涂層冷卻2分鐘到~2°C，直到形成冷凝。接著，作者立即將樣品放置在實(shí)驗(yàn)裝置上（圖3a），并用陽(yáng)光照射，同時(shí)記錄表面霧的演變。作者通過被霧覆蓋的面積隨時(shí)間的演變來評(píng)估除霧性能（圖5b）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在給定的實(shí)驗(yàn)條件下，涂層的除霧性能相比對(duì)照組提高了3倍。

05

總結(jié)

該工作提出了一種超薄被動(dòng)超材料涂層，在可見光下具有高透明度，在近紅外下具有強(qiáng)吸收性能。

由于其超薄特性和標(biāo)準(zhǔn)制造工藝，涂層可以很容易地量產(chǎn)，并有可能集成到現(xiàn)有的多層涂層中，增加防霧功能。

由金屬金膜滲透引起的光學(xué)吸收性，可在1太陽(yáng)照度下，實(shí)現(xiàn)高于環(huán)境溫度8.3°C的光熱響應(yīng)。利用這種熱響應(yīng)，可以指數(shù)方式降低水蒸氣成核的速率，并使耐霧性（防霧）提高近4倍。

此外，與未涂覆的樣品（除霧）相比，完全霧化的涂覆樣品的能見度恢復(fù)要快3倍。作者將其應(yīng)用于眼鏡，并在真實(shí)的室外條件下證明了該材料的防霧效果。