微米和纳米科技材料

基于纳米科学的隐形术可以让玻璃消失

基于纳米科学的隐形术可以让玻璃消失

利用纳米蚀刻技术蚀刻玻璃表面后,玻璃的反射光会变少,从而使得玻璃变得透明。这种效果如上图所示,其中比较传统的玻璃片(右)和纳米结构玻璃(左),前者没有反射眩光。图片来源:美国海文国家实验室

如果你曾经在黑暗中看过电视,在坐在顶灯或窗户旁边的电脑上,或者在阳光明媚的日子里用智能手机拍一张照片,你会遇到一个令人讨厌的现代显示屏:强光。现在大多数电子设备都装有玻璃或塑料盖子,以防灰尘、湿气和其他环境污染物,但这些表面的光反射会使屏幕上显示的信息很难看到。

现在,在美国科学用户设施能源办公室的海文国家实验室中,其中功能纳米材料中心的科学家们已经证明了一种方法可以减少玻璃表面的反射光,利用几乎为零的蚀刻微小的纳米级特征结构来实现。

每当光线遇到折射率的突然变化(光线从一种物质穿过另一种材料到另一种物质时,例如在空气和玻璃之间)弯曲时,光线的一部分被反射。纳米级的特性使折射率从空气到玻璃逐渐改变,从而避免了反射。超透明的纳米结构玻璃反射在很宽的波长范围内(整个可见光和近红外光谱)和宽视角范围内。反射减少,以至于玻璃基本上看不见反射光。

这种“看不见的玻璃”不仅可以改善消费者电子显示屏的用户体验。它可以最大限度地减少阳光的反射损失量提高太阳能电池的能量转换效率。它也可能是一种很有前途的替代性的抗反射涂层,通常用于激光中发射强大的光脉冲,例如用于制造医疗设备和航空航天部件的光脉冲。

“我们对于这项研究的前景兴奋,”美国科学用户设施能源办公室的主任Charles Black说,他是10月30日发表在《应用物理快报》的一篇相关研究论文的通讯作者。“不仅是这些纳米材料具有非常高的性能,但我们把这些纳米材料科学应用到实际中,我们相信这是有利于大规模生产的。”

前布鲁克海文实验室的博士后研究员Andreas Liapis,现在是马萨诸塞州总医院Wellman影像医学中心的研究员,和来自印度科学教育学院物理系的助理教授Atikur Rahman是该论文的共同作者。

从扫描电子显微镜的横断面图像显示,玻璃表面具有170纳米高锥纹理。圆锥体之间的距离很近,相距只有52纳米。一块两英寸的玻璃表面有9000亿个圆锥体。图片来源:海文国家实验室

为了在纳米尺度下对玻璃表面进行织构化,科学家们使用了一种称为自组装的方法,这种方法就是某些材料自身自发形成有序排列的能力。在这种情况下,一个嵌段共聚物材料的自组装提供了一个模板蚀刻玻璃表面成“树林”的纳米级的锥形结构,具有敏锐的尖的几何结构,几乎完全消除了表面的反射。嵌段共聚物是在许多产品中发现的工业聚合物(重复分子链),包括鞋底、胶带和汽车内饰。

美国科学用户设施能源办公室的同事曾经用一种类似的纳米纹理技术用于硅、玻璃和防水和自洁性能和防雾能力的一些塑料材料,也使硅太阳能电池减少反射。表面纳米组织模仿那些在自然界中发现的,如微小的用于光捕获的结构让蛾眼帮助昆虫避免捕食者,蝉翅上锥形细胞用于翅膀的清洁。

“这个简单的技术可以用于纳米材料,几乎任何材料与纳米结构的尺寸和形状都可以精确控制,“Rahman说。“最好的事情是,你不需要一个单独的涂层以减少眩光,这种纳米结构表面优于任何当今的涂层材料。”

“我们已经消除了从玻璃窗不涂多层不同的材料在纳米尺度变化的表面几何形状的玻璃反射,”Liapis说。“因为我们的最终结构完全由玻璃构成,所以比传统的抗反射涂层更耐用。

对玻璃表面的纳米结构的性能,科学家测量透过和反射光的量。在与自己的模型的模拟结果吻合良好,具有不同高度的纳米组织表面的实验测量表明,高反射更少的光锥。例如,玻璃表面覆盖的300纳米高小于纳米组织反射传入的红色光(633纳米波长)0.2%。即使在2500纳米的近红外波长和高达70度的视角下,通过纳米结构表面的光的数量仍然高出95和90%以上。

在另一个实验中,他们比较的商业化的硅太阳能电池的性能。三种情形:没有涂覆;传统的玻璃罩;玻璃罩与纳米结构。具有纳米结构涂覆的太阳能电池产生的电流是和没有涂覆的那一组具的相同。他们也对他们的纳米结构玻璃利用短脉冲激光照射,来确定在激光开始破坏材料的强度。他们的测量结果显示,相比商业可用的防反射涂层,这种纳米玻璃可以承受单位面积的三倍以上的光能量,并能在广泛的波长范围内运行。

“我们在美国科学用户设施能源办公室的作用是展示了科学可以促进高性能新材料的设计,” Black说。“这项工作是一个很好的例子,我们希望找到一个合作伙伴,以帮助推进这些了不起的材料走向应用技术。

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