镜片起雾（下）：新发明真的能一次性解决镜片起雾问题吗？

出品：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览

在之前的文章中，我们为大家介绍了传统的镜片防雾技术。其实，目前已经有很多种取得广泛应用的镜片防雾技术，而且还有更多的新技术在不断涌现。

最近，瑞士苏黎世联邦理工学院的科学家们就提出了一种可以在光照下被动自发加热的镜片涂层工艺，为镜片防雾技术增加了一个全新选项。

防雾镜片效果展示

（图片来源：参考文献1）

瑞士科学家发明新型镜片除雾技术

首先，这项新技术同样是被动式除雾，只要依赖涂层就可以让雾气退散，但他们的涂层从原理和工艺上来说都相当复杂。总结来说，**这是一种可以吸收日光并强烈发热的涂层，它的温度能比环境温度高上接近10摄氏度，从而依靠这种自发热来驱除雾气。**那么，到底是怎么样的涂层能够在吸收日光后强烈发热呢？

要想与阳光发生作用，传统上来说，这种涂层应该是深色的，例如黑色。而黑色的物质之所以呈现黑色，就是因为它们吸收了日光中几乎全部的可见光，几乎不反射也不透过。生活经验也告诉我们，黑色表面会因为吸收更多的日光而产生发热效果。不过，这样的黑色表面也可能会完全不透明，失去了作为镜片涂层的前提。

所以，能够应用于镜片的自发热材料至少应该具有下面的一些特征。**第一，对可见光吸收少，**这样才能保持高的可见光透过率，从而在外观上呈现透明。**第二，对日光中其他波段的光线（例如红外线）有着强烈的吸收作用，**这样才能够获得足够的能量来对镜片进行加热。

使尽可能多的可见光透过，同时尽可能吸收更多的近红外光

（图片来源：参考文献1）

经过多次实验，瑞士科学家们选择了利用金作为涂层材料，是的，你没看错，就是黄金的金。日常经验告诉我们，金显然是一种不透明的材料，它怎么能用作镜片涂层呢？虽然金本身不透明，但是假如使用特殊的工艺来制成非常薄的镀金层，就完全可以做到相对透明，至少达到普通镜片的水平。

一般来说，工艺上非常薄的镀金层可以用热蒸镀、磁控溅射或者气相沉积等方式实现，瑞士科学家们就使用了比较传统的热蒸镀工艺。当蒸镀刚开始时，金并不是以整层的形式附着在镜片表面，而是会形成一个个孤立的“岛屿”，微观上看这些“岛屿”之间还有大量的空间没有被金占据，因此宏观上仍然会呈现透明。此时，金层的厚度大约只有几个纳米。

采用蒸镀技术制作的战斗机头盔眼罩

（图片来源：维基百科）

实际上，上述的金层是夹在两层二氧化钛之间，构成所谓的超材料。这样的镀层构造不仅能够尽可能让可见光透过，保持宏观透明，还能强烈吸收红外线，从而在吸收日光后产生发热效果。根据该团队给出的数据，这种超材料涂层的近红外光吸收率可达37%，同时保证67%的可见光透过率。当日光的辐射功率密度在1千瓦每平米时，可以让镜片温度升高8.3摄氏度。在日照并不强烈的环境下，超材料镀层仍然能够表现出比普通的树脂或者玻璃镜片更加优异的防雾效果。

新型超材料涂层会是完美的解决方案吗？

不得不说，瑞士科学家们提出的超材料镀层，从所用原理到制备工艺，都颇有几分“高端”色彩，可以说是具备了高度的创新性和科学性，但是它最终获得大规模应用似乎还有很远的路要走。

首先是材料成本，毫无疑问，金是高价材料。虽然根据瑞士团队的推算结果，由于镀层非常薄，实际上每副眼镜所需的镀层大约是0.3毫克，差不多是不到1毛2分钱。不过，这一算法显然有避重就轻的嫌疑。首先，蒸镀的工艺过程中，实际上靶材的金原子是无法定向飞到镜片上的，而是在整个蒸镀腔内飞舞。一旦金原子没有落到镜片上（最终会附着在设备腔室表面），就失去了再次利用的可能。也就是说，蒸镀过程中金的损耗将不可避免。

其次，和材料成本相比，制造成本更是一道难以逾越的关卡。蒸镀技术要求设备内部维持非常高的真空度，这不仅需要高昂的设备制造成本，还严重损耗了生产效率。想要达到蒸镀所需的真空度，可能需要几个小时来抽真空，并且设备腔室的尺寸也存在上限，无法利用一次蒸镀同时制作非常多的镜片。

和传统的亲水式及吸水式去雾技术相比，蒸镀工艺带来的成本提升是显而易见的，在成本方面可以说是完败。

在性能方面，眼镜镜片不光只有防雾一个需求，佩戴后的透明度实际上是非常影响消费者体验的一项指标。作为日常佩戴的普通镜片，可见光透光率甚至可以达到99%以上。即便是镜片厚度较高的高度近视镜片，也有超过90%以上的透光率。超材料涂层天然的低透光率，必然严重影响其广泛应用的前景。

而且，室内环境中的照明功率应该会弱于晴朗天气下的室外日光功率，**超材料涂层在室内条件下是否还能发挥效力尚存疑问。**此外，超结构镀层是否可以在长期使用的前提下仍然保持稳定的吸光发热性能，也是需要实际检验的重要指标。

最后，防雾涂层远非镜片涂层的日常标配，与防雾相比，防污、防水渍、防眩光乃至防花粉都是同等甚至更加重要的需求。遗憾的是，以上各种涂层往往都无法和防雾涂层共存，消费者必须二择其一。

这样的情况下，我们将怎么选？超材料涂层在室外口罩场景下可能是比较有力的选项，毕竟口罩造成的湿气强度很可能是亲水式与吸水式涂层难以抵挡的，同时其较低的透光率可能恰好扮演了太阳镜的角色。只是，我们将会永远生活在必须日常佩戴口罩的时代吗？

结语

说了这么多超材料除雾涂层的坏话，很可能会让各位读者误以为笔者对这种材料持有批判态度。其实恰恰相反，作为一名材料工作者，对于任何一种新材料的出现，我们都会抱有极大的兴趣和热情。从来都没有不好的材料，只有和应用场景匹配不好的材料。

而作为一种全新的材料，它的存在本身就是拓展了人类的技术边界，从此以后，人类的“武器库”中将拥有一件全新的“兵器”。当然，这件“兵器”是不是趁手，是不是能打，还需要经受时代的检验。

参考文献：

【1】Transparent sunlight-activated antifogging metamaterials

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01267-1#Sec15

【2】戴上口罩后，如何优雅地佩戴眼镜？

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】后挡风玻璃为什么用电热丝加热？能用风吹吗？

https://www.pcauto.com.cn/hj/article/287400.html

【5】你的眼镜够“透亮”吗？

https://zhuanlan.zhihu.com/p/47453027

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