稱心如意的玻璃「心」

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■本報記者 袁一雪

人類與玻璃的關係起源於約2000年前，曾經人們熱愛它透光卻隔風的特性，後來人們又給它掛上了窗帘為自己保留一片隱私的天地。面對人們「變幻莫測」的心情，玻璃也在科學家手上變得「隨心所欲」。

不再依靠百葉窗或者窗帘，只需要施加一點電壓，透明的玻璃立刻變得模糊起來。變化的秘密就是在玻璃中間的特殊設計。

電壓扭轉透明度

這種可調節透明度的玻璃出自美國哈佛大學的研究人員之手，他們在玻璃中間又加了一層玻璃或塑料材料，再在兩側覆蓋了透明且柔軟的彈性體，外面再噴塗一層銀納米線塗層。當對其施加電壓時，兩側的銀納米線獲得能量向彼此運動，從而對彈性體擠壓導致其變形。由於銀納米線在表面的分布不均勻，所以彈性體也呈不均勻變形。這導致表面粗糙，散射光線，玻璃就會變得模糊。考慮到銀納米線塗層可能會反光，因此其厚度也是經過計算的。

研究人員將這個變化的過程打了個比方，好像是一個冰凍的池塘。如果這個冰凍池塘表面是光滑的，那麼就可以透過冰看到下面，但如果冰表面有很多劃痕，就什麼都看不到了。但不需要水變成冰那麼緩慢，這個變化過程只需不到一秒就能完成。

如果人們對透明度和模糊度有要求，那麼只需要調節電壓就能實現，因為研究人員發現，彈性體表面的粗糙程度與外加電壓相關。電壓值越高，彈性表面就會變得越粗糙，玻璃也就越模糊。

原理不難

當然，在改善玻璃，讓它既能透光又不會泄露隱私的路上，研究人員嘗試了不少方法。在施加電壓的方法之前，他們嘗試最多的是改變玻璃本身的化學性狀，從而讓玻璃從透明變成模糊。武漢理工大學硅酸鹽建築材料國家重點實驗室主任、教授趙修建從事玻璃研究多年，在接受採訪時告訴《中國科學報》記者，改變玻璃的透明度，可以通過改變光的吸收、反射和散射等性能得以實現，從改變機制上可分為電致變色玻璃、熱致變色玻璃、光致變色玻璃、應力誘導調光玻璃、液晶調光玻璃等。

「其中，前4種分別是在電、溫度、光強和應力作用下改變玻璃透明度的方法，而液晶調光玻璃也可以算作是電致變色玻璃的一種，其原理跟液晶顯示器的原理一樣，也是在電場作用下可以改變玻璃透明度。在材料結構上，除了光致變色玻璃是將可導致透明度變化的活性元素分散在玻璃之外，其他的都是採用在玻璃上鍍膜的形式。」趙修建表示。

而目前最接近應用的還是電致變色玻璃和熱致變色玻璃。趙修建進一步解釋說，如果想讓玻璃變色，那麼通常至少需要在玻璃表面或兩片玻璃中間製備5層不同材料的薄膜，組成「透明導電層—電致變色層—離子導電層—離子儲存層—透明導電層」的結構，構成電致變色玻璃。然後，通過在兩層透明導電層之間施加電場，導電離子進入電致變色層，使電致變色層改變透明度；再施加反向電場，離子又會脫出電致變色層，從而使電致變色層回復到原來的狀態。「人們可以通過改變電場的方向和大小來調控玻璃的透明度。」趙修建說。

實現不易

雖然原理聽起來並不複雜，但這樣「隨心所欲」的玻璃距離真正應用還尚遠。趙修建解釋說，因為目前透明導電層、電致變色層和離子儲存層的材料在性能上都基本能滿足實用化要求，但是離子導電層，也就是電解質層的材料離實用化還有一段距離，主要是離子電導率達不到要求。「這是由於離子的體積要比電子大，所以離子在固體材料中的遷移要比在液體中困難。而目前有些性能接近實用化要求的電致變色器件的離子導電層都是採用液體的電解質或者半固態的電解質，個別的採用全無機的固態電解質。」趙修建表示。

在哈佛大學的研究中，支撐這種可改變粗糙度的玻璃需要強大的電壓。「論文中提到在這項實驗中，研究人員使用了2400伏的電壓，這還只是在他們實驗用的一個小器件上，他們在論文中好像沒有明確說實驗的器件有多大面積，但根據他們提供的照片來看，應該只有幾平方厘米。可想而知，要變成一個以米為單位計算的窗玻璃，需要的電場強度將會大得多。這在建築玻璃上是不現實的。」趙修建告訴記者。

趙修建的實驗室同樣也在進行類似的研究，然而雖然解決了一些問題，但距離實用化仍有一定差距。「因為改變玻璃透明度不僅可以調節人們的心情，而且在現代社會中可調節的玻璃也是節能的一部分。」趙修建解釋道。在地球上，太陽光不僅是光線的來源，也是一個重要的熱源，而太陽光攜帶的熱源主要來自它紅外光的部分。所以，人們希望在冬天或寒冷季節時玻璃能透過儘可能多的太陽光（包括紅外光），而在夏季或炎熱季節時則希望玻璃只透過可見光，而把紅外光攔截掉。這樣就可以大幅度減少室內製冷或制熱的能耗。所以，如果希望實現建築節能，最重要的不是調控可見光，而是要調控紅外光的透明度，而熱致變色玻璃將成為下一個重點研究領域。

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