《Nature Nanotechnology》：防雾超材料！一e测试

推荐使用微信扫码登录/注册

使用微信扫码，一键绑定微信，可更快速更及时
更方便的获得订单相关信息与优惠活动

《Nature Nanotechnology》：防雾超材料！

2023-01-10 14:30:27 0 948

研究背景

表面起雾造成的透明度和能见度的损失对许多日常活动来说是很麻烦的，而且不利于这些活动，例如涉及窗户、车辆挡风玻璃、处方和运动眼镜、光学传感器、显示器以及最近非常明显的使用面罩时的眼镜。由于起雾而失去透明度是一个广泛的问题，例如，在医疗、安全、能源/光伏和化学/食品行业。表面起雾通常是由于温度的降低或周围环境相对湿度的增加而发生的，导致表面上许多微滴的成核。这些水滴散射入射光线，因此对透明度和能见度有不利影响。

为了在保持透明度的同时缓解这一现象，人们已经进行了各种尝试，包括被动、能源中立的方法。临时解决方案，如超亲水表面或表面活性剂，改变了表面能量，形成大部分连续的，薄薄的冷凝液层。因此，人眼的透明度可以保持，因为入射光线的散射较少。然而，由于重力、干燥和污染物的影响，水膜并不总是均匀的，导致可见度失真。这种表面由于其高的表面能量，本质上容易受到有机污染物的污染，严重限制了其有效性的持久性。通常情况下，更持久的被动解决方案依赖于微米和纳米图案的超疏水表面，旨在早期自我清除表面上的冷凝水滴，在它们成长到影响透明度的大小之前。由于这些表面的低表面能和纹理，凝结的水滴保持高流动性（Cassie–Baxter润湿状态），从而避免了水滴在表面的钉扎（Wenzel润湿状态）。然而，当暴露在相对湿度较高的环境中时，必须对结构进行复杂的工程设计，这种结构既不容易坚固，也不容易在玻璃上扩展，因为纹理中的纳米尺度成核消除了Cassie–Baxter状态，诱导了Wenzel状态，并破坏了表面的超疏水特性。因此，这些方法不足以作为一个长期的、被动的解决方案，在保持能见度的同时完全消除雾的形成，因此非常需要新的解决方案。

最近，防止起雾的另一种途径是有效地吸收自然阳光，并随后以热量的形式消散（光热效应）。鉴于冷凝物成核率对温度的敏感依赖性，这种热力学方法足以降低成核发生的可能性，而且与许多现有的方法不同，不依赖于化学。以前的工作集中在用碳基材料、质子金属纳米粒子（有时嵌入复合材料中）、聚合物或多层选择性吸收剂制造这种表面。然而，这些表面被设计成宽带吸收，通常必须在透明和加热之间做出妥协，这取决于目标的主要效果。有趣的是，近一半的太阳能位于近红外光谱（NIR，λ=720-2,000 nm），人眼是看不见的。很少有尝试显示这种近红外吸收，同时保留了可见光谱（VIS，λ=400-720 nm）中的一些透明度。这些涂层要么是窄带吸收，要么是微米级的厚度，以实现所需的温度提升。

研究成果

抵制表面起雾以保持表面透明度，对包括眼镜、窗户和显示器在内的各种应用都很重要。能量中立的被动方法主要依赖于表面润湿性工程，但存在不均匀性、污染物沉积和缺乏稳健性的问题，所有这些都大大降低了耐久性和性能。在这里，在成核热力学的指导下，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来抑制起雾。该超材料涂层包含一个纳米级的薄渗金层，在近红外范围内吸收能力最强，一半的太阳光能量都在这里，因此保持了可见的透明度。与没有涂层的样品相比，光诱导的加热效应实现了持续和卓越的防雾（提高4倍）和除雾（提高3倍），即使在多云条件下，室内和室外的整体性能也令人印象深刻。该涂层极薄（约10 nm），可以通过标准的、易于扩展的制造工艺生产，可以集成在其他涂层之下，使其即使在高度兼容的基材上也能耐用。相关研究工作以“Transparent sunlight-activated antifogging metamaterials”为题发表在国际顶级期刊《Nature Nanotechnology》上。

图文速递

图1. 超材料涂层的设计和光学性能

在这里，研究者展示了一种只有几纳米厚的合理设计的超材料涂层，在近红外有很强的宽带吸收，同时在可见光下保持高透明度，因此代表了向可实现的透明光热表面对抗雾化迈出了一步。对近红外的选择性吸收是通过在渗流阈值处的一个容易制造的金属纳米层来实现的，该金属纳米层嵌入到一个电介质主体中，使超材料涂层的透明度峰值与太阳峰值波长一致。与目前的技术水平相比，该涂层每单位材料厚度的太阳能吸收率提高了4倍以上。由于其简单的设计理念，该涂层是超薄的（约10 nm），很容易集成在大面积上，在现有的结构上和通常应用于透明材料的额外标准涂层之下。这使得它可以免受化学品、划痕或氧化等因素的损害，从而使其具有持久性。它的薄度也使其能够在符合要求的基材上进行制造，具有强大的性能，可以防止反复弯曲造成的损害，而且不会损失性能。研究者利用近红外太阳光的吸收和耗散来防止起雾（防雾），并从起雾状态中快速恢复（除雾），在非理想的现实条件下也是如此，例如在室内或室外的阴天，太阳光照度有限。该涂层可通过标准方法（溅射和热蒸发）轻松制造，对材料的要求也很低，这就为其在应用中的直接使用提供了可能性。

图2. 超材料涂层的结构和角度色散关系

图3. 实验装置和光热性能

如图3a所示，研究者测量了在模拟的、受控的太阳光照下，涂有超材料的熔融石英（SiO₂）基底的表面温度Ts。作为一个对照样品，他们在SiO₂基底上沉积了3 nm的TiO₂薄层，以产生与超材料涂层相同的润湿行为。在1个太阳的照耀下（相当于1,000 W m^-2），涂层显示出高于环境的最强的温度增加（Ts - Tamb）（图3b）。他们还在更现实的条件下测试了涂层，即600和800 W m^-2的较弱辐照度，分别对应于0.6和0.8个太阳。在一个太阳的照耀下，Ts在超过环境温度（Tamb≈23℃，相对湿度（RH）≈55%）的3分钟内增加了8.3℃。在较弱的辐照下，涂层也大幅升温（在0.6和0.8个太阳下分别为5.4℃和6.4℃），足以使冷凝物成核率降低几个数量级。一个瞬态传热模型，他们只在合理的范围内改变对流传热系数hconv，与实验测量结果密切相关。图3c显示了稳定状态下的温度上升（t = 230 s），并证明了与对照样品相比，涂层的光热反应明显。

图4. 防雾性能

图5. 除雾性能和现实可行性

结论与展望

研究者提出了一种超薄的无源超材料涂层，在可见光中具有高透明度，在近红外中具有强吸收性。通过夹在两个电介质TiO₂纳米层之间的金属金纳米膜的结构渗透效应，实现了近红外吸收率扩大的光谱选择性，使纳米结构的总厚度达到约10 nm。由于其超薄的性质和标准的制造工艺，该涂层可以很容易地扩大规模，并有可能应用于大面积，或被整合到现有的多层涂层中，增加防雾功能。由金属金膜的渗透引起的光学吸收导致了光热反应，在一个太阳的照耀下，温度比环境温度高8.3℃。这种热反应被利用来成倍地减少水蒸气的成核率，并导致抗雾性（防雾性）的近4倍的改善。此外，与无涂层的样品相比，完全起雾的样品的能见度恢复速度快3倍（除雾）。重要的是，研究者表明，即使在更具挑战性的条件下，如低至0.2个太阳的照明水平，该涂层也表现良好。他们通过将其应用于处方眼镜来验证涂层的实际性能，并证明了其在现实户外条件下令人印象深刻的防雾效果。最后，它对每一厚度材料的太阳能吸收率和它在标准工业流程中的简易制造使它可以应用于灵活的、可折叠的和便携式的基材，即使在强烈和反复的弯曲下，它也能完美地保持其光学和光热特性。

文献链接：

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

本文为e测试原创，未经允许，禁止转载！