01

一種透明的、由陽光激活的光熱涂層

表面起霧時透明度和可見度的損失會帶來很多麻煩，也會影響許多日常活動，尤其是在冬天戴口罩時，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)重限制了其長期有效性。

而效果更持久的被動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，冷凝液滴會保持高流動性，因此避免了水滴在表面上的釘扎。然而，當(dāng)暴露在高相對濕度的環(huán)境中時，紋理中的納米尺度成核會破壞表面的超疏水特性。因此，亟需一種長期、被動的解決方案來實(shí)現(xiàn)在完全除霧的同時，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?。▇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，形成了小島。由于帶間躍遷，這些斷開的單個島太小，無法支持共振和吸收。

然而，隨著島的密度增加，單個孤立島之間的光學(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。滲流極限處的復(fù)雜圖案吸收NIR中的所有入射波長，達(dá)到最大吸收。

作者將優(yōu)化的金層封裝在兩個二氧化鈦層之間。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，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納米級光滑的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%入射太陽能（280–2000 nm）的同時保持透明。

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數(shù)量級。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)域面積來評估防霧性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對照樣品相比，涂層的抗霧性更強(qiáng)（圖4 b，c）。與對照樣品相比，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），并用陽光照射，同時記錄表面霧的演變。作者通過被霧覆蓋的面積隨時間的演變來評估除霧性能（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照組提高了3倍。

05

總結(jié)

該工作提出了一種超薄被動超材料涂層，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。

更新日期：2022-12-22

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