自從戴上口罩，走在路上就多了一個動作：用手按壓口罩上鼻梁兩側的金屬條。尤其是在冬天，因為自己呼出的熱氣會順著口罩與臉的縫隙爬到眼鏡里面，在鏡面上如漲潮一般留下一層水滴，即產生霧氣；幸運的話，霧氣很快“退潮”便會散去。但如果你不得不從外面走進地鐵站，你會發現眼鏡的外面也被覆蓋了一層霧。

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眼鏡起霧其實是由于眼鏡與周圍空氣存在溫差，而使水蒸氣冷凝為水的過程。值得一提的是，鏡片上原本還有幾層額外的膜，以減少反射、防水防油防藍光等，它們往往屬于疏水材料，使水很難粘濕鏡面，從而形成水滴。這些小水滴會使入射光向四面八方散開而導致人看不清。

這時，如果被動地等待眼鏡上的水滴蒸發以消散霧氣，你也許要頂著這樣一副朦朧的眼鏡繼續往前走幾分鐘。但除此之外，你還能做些什么？

迪莫斯·普利卡科斯（Dimos Poulikakos）是蘇黎世聯邦理工學院熱力學系的主任，也是該校新興技術熱力學實驗室的創始人，主要從事界面和熱力學相關的研究。普利卡科斯和同事對眼鏡起霧這件事非常感興趣，從大約6年前就開始思考如何開發一種新的眼鏡涂層。他們期望這種涂層既能快速除霧或防止起霧，又能與現有技術相匹配來實現規模生產。最近，普利卡科斯的團隊在《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）雜志上發表了他們的最新成果。

這項新技術的特殊之處在于，它模仿了車后窗的除霜器。有車的人應該知道車后窗玻璃上的一條條橫線其實是電熱絲，目的是通電加熱來加快蒸發，以達到除霜/霧的效果。不過，相比于人為主動地提供能量（如電能），普利卡科斯和同事想到，可不可以在日常環境中（有一定的光照），就能讓鏡片的部分區域自行加熱以減小溫差，從而防止霧氣的產生或加快除霧的速度？

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“人們通常會用深色表面來吸收光，以將其轉變為熱量。”普利卡科斯團隊的一位博士生埃夫斯特雷克斯·米特里迪斯（Efstratios Mitridis）說道。但我們知道眼鏡必須得足夠透亮，所以他們需要設計特殊的透明涂層，使其既具備足夠高的透光率，也能實現類似于深色表面的效果：吸收足夠多的紅外線來提高物體溫度。

科學家已經知道，對于金屬納米顆粒（可以看作一種特殊的等離子體）而言，當金屬表面自由電子的振蕩頻率與入射光的頻率相當時就會產生共振，因此會對相應波長的光產生很強的局部吸收作用，同時讓其他波長的光透過。其共振頻率往往出現在可見光波段內。

如今，在人為制造的一些光學超材料中，科學家往往會將特定形式的納米粒子嵌在不同的表面上，并通過堆疊形成一類多層結構。他們可以調整納米粒子的大小、位置和方向，或者改變每一層納米粒子的厚度，以調控光與納米粒子之間的相互作用，從而讓材料表現出不同的光學性能。例如，使等離子體共振頻率拓寬到近紅外波段。這也是普利卡科斯的團隊最終選擇的一種策略。

這支研究團隊的思路：制備一類超材料涂層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]

沿著這種思路，他們在2019年第一次報道了他們所制備的涂層，它由一層二氧化鈦與一層金納米顆粒交替重復堆疊而成。“我們的涂層會吸收太陽光中的紅外線以及一部分可見光，”這項研究的第一作者克里斯托弗·沃克（Christopher Walker）說，“吸收的光會被轉變為熱能。”這可以使鏡片的溫度提高3~4℃，從而縮小導致眼鏡起霧的溫差。這項研究發表在Nano Letters雜志上。

但是，這一版本的涂層的可見光透過率僅有約36%，吸收率則達到了約30%~40%（以可見光為例，可見光的透過率+吸收率+反射率=1）。這很有可能會影響鏡片的透光率，以及最終的清晰度和失真度。因此，在接下來的3年里，普利卡科斯和同事一直在試圖優化材料結構，以尋找光學效果更好的眼鏡涂層。而性質的突變會出現在哪里？

逾滲閾值（percolation threshold）以及逾滲現象常常會用在導電復合材料中，這種材料有一個非常重要的特征：它們的導電率會隨導電粒子體積分數的增加呈非線性遞增，并且在某一個臨界值突然增大，變化幅度可達10個數量級以上，然后呈非線性遞減。

根據產生逾滲現象的原因，我們或許可以推測，隨著納米金濃度的增加，當這些納米金形成某種連續網絡時，材料的光學性質就突然迅速增加了。這支研究團隊就是這么想和做的。他們想要利用這種逾滲概念，找到眼鏡涂層的光學性能閾值。

相比于2019年用過的金納米顆粒，他們這次選擇用一種傳統的熱蒸發工藝，制備納米金的薄膜。按照他們的說法，當金沉積在基板上時會先形成島，但這些島尺寸較小且彼此獨立，難以發生集體共振；隨著更多的金沉積，這些島之間就會實現電氣連接，成為一個更大的、相互連接的網絡。

實際上，這層納米金的薄膜被夾在兩層二氧化鈦之間，當納米金薄膜的厚度為 4.75 納米時，這種結構的材料擁有最大的近紅外光吸收率——約36.9%，同時具備較高的可見光透光率（67.1%），并且幾乎不吸收可見光——舉例來說，近紅外光吸收率=吸收的近紅外光/吸收的入射光。

更重要的是，這種新涂層甚至可以在1個太陽光的輻射（經過計算，物理學家已經證實，地球上太陽光輻射的功率密度約為 1000 瓦特/平方米，因此將其簡稱為1個太陽光輻射）下使眼鏡升溫8.3℃；即使是在0.6個太陽光輻射下也能升溫5.4℃。

其中的一個鏡片涂有他們新開發的超材料，另一個未作處理。結果顯示，超材料涂層起到了防止鏡片起霧的作用，而未作處理的則完全起霧。圖片來源：參考文獻[1]

當然，實際應用時可能會遇到陽光輻射非常弱的情況，那時這種涂層還能發揮加熱的作用嗎？

還好眼鏡有兩個鏡片，所以很容易實現對照試驗：其中的一個鏡片涂有他們新開發的超材料，另一個未作處理。首先，普利卡科斯的團隊將這副眼鏡放置在室外，并暴露在陽光（強度為 0.2~0.3 個太陽光輻射）下5分鐘。然后，戴著口罩的研究人員戴上這副眼鏡并呼氣。很顯然，未作處理的鏡片完全起霧，而涂有超材料涂層的鏡片，即使在這種非理想條件下也能保持完整的可見度。

研究人員將涂有這種涂層的材料帶到了瑞士山上，以進行測試。圖片來源：參考文獻[1]

普利卡科斯和同事甚至將涂有這種涂層的聚酯片、二氧化硅晶片帶到了瑞士山上，以證實它在惡劣戶外條件下的防霧、除霧能力。

他們對此提交了專利申請并期望能夠走向市場。但一想到涂層中的金，你可能就對它望而卻步了。但科學家已經提前替你算了一筆賬，發現沒有那么貴：“由于納米金薄膜的厚度不到5納米，所以整體涂層只需要很少的金。具體來說，每平方米的涂層含有100毫克的金，這意味著一副眼鏡需要大約0.3毫克的金，換算為美元就是 0.017（相當于 11.5 分人民幣）。”這項新研究的第一作者伊萬·海希勒（Iwan Haechler）說道。當然，整體涂層以及其他價格未包含在內。

說起產品，目前市場上的主打產品防霧濕巾是通過擦拭，在鏡片上留下一層膜來防止起霧。它們無非包含親水性或疏水性材料，但擦拭過程中可能會破壞原本的鏡片鍍膜。至于原理，它們主要是通過調整表面潤濕性來改變水滴與鏡片表面之間的接觸角，與普利卡科斯團隊的策略完全不同。

例如，超親水材料可以使水滴鋪展開來形成水膜，以便讓光透過去。因此，肉眼看上去鏡片似乎是透明的，但實際上并沒有阻止水蒸氣的冷凝。不過，親水表面的表面能較高，因此很容易吸附污垢、灰塵、油滴等雜質，僅僅一點雜質就能削弱超親水表面的性能。

而說起超疏水表面，我們可以想象一下荷葉上的露珠——超疏水表面就是在模仿荷葉的結構，從而使水滴不粘濕表面并離開。但制備如此完美的仿生結構是一件極具挑戰性的事情。因此表面簇集的水滴并不都會如你所愿地及時滑下來，它們很有可能會不斷“侵占”表面，從而使其最終失去功能。

至于普利卡科斯他們新開發的基于納米金的鏡片涂層，它們也毋庸置疑會發揮防霧、除霧的作用，但能否滿足長久使用的需求，以及完勝目前的產品還有待檢驗。