Wie trägt man eine Brille elegant, nachdem man eine Maske getragen hat?

Seitdem ich eine Maske trage, muss ich beim Gehen auf der Straße noch eine Sache tun: mit den Händen auf die Metallstreifen auf beiden Seiten des Nasenstegs der Maske drücken. Besonders im Winter gelangt die heiße Ausatemluft durch den Spalt zwischen Maske und Gesicht in die Brille und hinterlässt wie bei einer Flut eine Schicht aus Wassertropfen auf der Spiegeloberfläche, die Beschlag erzeugt. Wenn Sie Glück haben, löst sich der Nebel schnell auf, wenn die Flut zurückgeht. Wer allerdings von außen in die U-Bahn-Station hineingehen muss, wird feststellen, dass auch die Außenseite der Gläser mit einer Beschlagschicht bedeckt ist.

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Beim Beschlagen von Brillengläsern handelt es sich um den Vorgang, bei dem Wasserdampf aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen den Brillengläsern und der umgebenden Luft zu Wasser kondensiert. Erwähnenswert ist, dass sich auf der Linse mehrere zusätzliche Folienschichten befinden, um Reflexionen zu reduzieren und sie wasserdicht, ölbeständig und blaulichtdicht zu machen. Sie bestehen häufig aus hydrophoben Materialien, sodass es für Wasser schwierig ist, die Spiegeloberfläche zu benetzen und Wassertropfen zu bilden. Diese kleinen Wassertropfen führen dazu, dass das einfallende Licht in alle Richtungen gestreut wird und die Sicht dadurch erschwert wird.

Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt passiv darauf warten, dass die Wassertropfen auf der Brille verdunsten und der Beschlag verschwindet, müssen Sie mit einer derart beschlagenen Brille möglicherweise noch einige Minuten weitergehen. Aber was können Sie darüber hinaus noch tun?

Dimos Poulikakos ist Leiter der Abteilung für Thermodynamik an der ETH Zürich und Gründer des Thermodynamiklabors für neue Technologien an der Universität. Er forscht hauptsächlich zu Grenzflächen und Thermodynamik. Pulikakos und seine Kollegen interessierten sich sehr für das Beschlagen von Brillengläsern und begannen vor etwa sechs Jahren, über die Entwicklung einer neuen Brillenbeschichtung nachzudenken. Sie gehen davon aus, dass diese Beschichtung sowohl schnell Beschlag entfernen oder Beschlag verhindern kann als auch mit vorhandenen Technologien mithalten kann, um eine Produktion im großen Maßstab zu erreichen. Vor Kurzem veröffentlichte Pulikakos‘ Team seine neuesten Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Nanotechnology.

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Gläser selbst erwärmen lassen?

Das Besondere an dieser neuen Technologie ist, dass sie den Defroster an der Heckscheibe Ihres Autos nachahmt. Autobesitzer sollten wissen, dass es sich bei den waagerechten Linien auf der Heckscheibe eigentlich um Heizdrähte handelt. Ihr Zweck besteht darin, sie zu erhitzen, um die Verdunstung zu beschleunigen und den Auftau-/Beschlageffekt zu erzielen. Doch ist es im Vergleich zur aktiven manuellen Energiezufuhr (z. B. Strom) möglich, Teile der Linse in alltäglichen Umgebungen (mit einer bestimmten Lichtmenge) selbst erwärmen zu lassen, um den Temperaturunterschied zu verringern und so die Bildung von Beschlag zu verhindern oder die Funktion der Scheibenheizung zu beschleunigen, dachten Pulikakos und seine Kollegen.

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„Normalerweise nutzen Menschen dunkle Oberflächen, um Licht zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln“, sagt Efstratios Mitridis, Doktorand in Pulikakos‘ Team. Wir wissen jedoch, dass die Gläser transparent genug sein müssen. Daher muss eine spezielle transparente Beschichtung entwickelt werden, die sowohl eine ausreichend hohe Lichtdurchlässigkeit aufweist als auch einen ähnlichen Effekt wie eine dunkle Oberfläche erzielen kann: Sie muss genügend Infrarotstrahlen absorbieren, um die Temperatur von Objekten zu erhöhen.

Wissenschaftler wissen bereits, dass bei Metallnanopartikeln (die als eine besondere Art von Plasma betrachtet werden können) eine Resonanz auftritt, wenn die Schwingungsfrequenz freier Elektronen auf der Metalloberfläche der Frequenz des einfallenden Lichts entspricht, wodurch ein starker lokaler Absorptionseffekt bei der entsprechenden Lichtwellenlänge entsteht, während andere Lichtwellenlängen durchgelassen werden. Seine Resonanzfrequenz liegt häufig im sichtbaren Lichtband.

Heutzutage betten Wissenschaftler bei einigen künstlich hergestellten optischen Metamaterialien häufig bestimmte Formen von Nanopartikeln auf verschiedenen Oberflächen ein und stapeln sie zu einer mehrschichtigen Struktur. Sie können die Größe, Position und Ausrichtung der Nanopartikel anpassen oder die Dicke jeder Nanopartikelschicht ändern, um die Wechselwirkung zwischen Licht und Nanopartikeln zu regulieren, sodass das Material unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen kann. Beispielsweise wird die Plasmaresonanzfrequenz in den nahen Infrarotbereich erweitert. Dies ist auch die Strategie, für die sich Prikakos‘ Team letztendlich entschied.

Die Idee des Forschungsteams besteht darin, eine Art Metamaterialbeschichtung herzustellen, die möglichst viel sichtbares Licht durchlässt und gleichzeitig möglichst viel Nahinfrarotlicht absorbiert. Bildquelle: Referenz [1]

Diesem Gedankengang folgend berichteten sie 2019 erstmals über die von ihnen hergestellte Beschichtung, die aus dem abwechselnden und wiederholten Übereinanderschichten einer Schicht Titandioxid und einer Schicht Goldnanopartikel bestand. „Unsere Beschichtung absorbiert Infrarotlicht der Sonne sowie einen Teil des sichtbaren Lichts“, sagt Christopher Walker, der Hauptautor der Studie. „Das absorbierte Licht wird in Wärme umgewandelt.“ Dadurch kann die Temperatur der Linse um 3 bis 4 Grad Celsius steigen und der Temperaturunterschied, der zum Beschlagen der Brille führt, verringert werden. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

Allerdings beträgt die Durchlässigkeit für sichtbares Licht bei dieser Beschichtungsversion nur etwa 36 %, während die Absorptionsrate etwa 30–40 % erreicht (am Beispiel von sichtbarem Licht: Durchlässigkeit für sichtbares Licht + Absorptionsrate + Reflexionsvermögen = 1). Dies beeinträchtigt höchstwahrscheinlich die Lichtdurchlässigkeit der Linse und letztendlich die Klarheit und Verzerrung. Daher versuchten Pulikakos und seine Kollegen in den nächsten drei Jahren, die Materialstruktur zu optimieren, um Brillenbeschichtungen mit besseren optischen Effekten zu finden. Und wo wird die Mutation der Eigenschaften stattfinden?

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Nanogold-Film

Die Perkolationsschwelle und das Perkolationsphänomen werden häufig bei leitfähigen Verbundwerkstoffen verwendet, die eine sehr wichtige Eigenschaft aufweisen: Ihre Leitfähigkeit steigt nichtlinear mit der Zunahme des Volumenanteils der leitfähigen Partikel an und steigt bei einem bestimmten kritischen Wert plötzlich an, mit einer Änderungsspanne von mehr als 10 Größenordnungen, und nimmt dann nichtlinear ab.

Aufgrund der Ursache des Perkolationsphänomens können wir spekulieren, dass sich die optischen Eigenschaften des Materials plötzlich rapide verbessern, wenn die Konzentration der Goldnanopartikel zunimmt und diese ein bestimmtes kontinuierliches Netzwerk bilden. Dies ist, was das Forschungsteam dachte und tat. Sie wollten dieses Perkolationskonzept nutzen, um die Schwelle der optischen Leistungsfähigkeit von Brillenbeschichtungen zu finden.

Im Vergleich zu den 2019 verwendeten Goldnanopartikeln entschieden sie sich dieses Mal für ein traditionelles thermisches Verdampfungsverfahren zur Herstellung von Nanogoldfilmen. Demnach bilden sich beim Abscheiden von Gold auf dem Substrat zunächst Inseln, die jedoch klein und voneinander unabhängig sind, sodass es schwierig ist, dass eine kollektive Resonanz auftritt. Wenn mehr Gold abgelagert wird, werden diese Inseln elektrisch miteinander verbunden und bilden ein größeres, miteinander verbundenes Netzwerk.

Tatsächlich ist diese Schicht aus Nanogoldfilm zwischen zwei Schichten aus Titandioxid eingebettet. Wenn die Dicke des Nanogoldfilms 4,75 Nanometer beträgt, weist das Material dieser Struktur die maximale Nahinfrarotlichtabsorptionsrate auf – etwa 36,9 % und hat eine hohe Durchlässigkeit für sichtbares Licht (67,1 %) und absorbiert fast kein sichtbares Licht – beispielsweise Nahinfrarotlichtabsorptionsrate = absorbiertes Nahinfrarotlicht/absorbiertes einfallendes Licht.

Noch wichtiger ist, dass diese neue Beschichtung die Gläser bei der Strahlung einer Sonne sogar um 8,3 °C erwärmen kann (nach Berechnungen haben Physiker bestätigt, dass die Leistungsdichte der Sonnenstrahlung auf der Erde etwa 1000 Watt/Quadratmeter beträgt, daher wird sie einfach als Strahlung einer Sonne bezeichnet). schon bei der Einstrahlung von 0,6 Sonnenstunden kann es sich um 5,4°C erwärmen.

Eine der Linsen war mit dem neu entwickelten Metamaterial beschichtet, die andere blieb unbehandelt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Metamaterialbeschichtung das Beschlagen der Linsen verhinderte, während die unbehandelten Linsen vollständig beschlugen. Bildquelle: Referenz [1]

Natürlich kann es bei der tatsächlichen Anwendung zu Situationen kommen, in denen die Sonneneinstrahlung sehr schwach ist. Kann diese Beschichtung dann noch eine heizende Funktion erfüllen?

Glücklicherweise verfügt die Brille über zwei Linsen, sodass kontrollierte Experimente problemlos durchgeführt werden können: Eine der Linsen ist mit dem neu entwickelten Metamaterial beschichtet, die andere bleibt unbehandelt. Zunächst stellte Pulikakos‘ Team die Gläser ins Freie und setzte sie 5 Minuten lang dem Sonnenlicht (mit einer Intensität von 0,2 bis 0,3 Sonneneinstrahlung) aus. Anschließend setzten die maskierten Forscher die Brille auf und atmeten aus. Es ist klar, dass die unbehandelte Linse vollständig beschlägt, während die Linse mit der Metamaterialbeschichtung auch unter diesen nicht idealen Bedingungen die volle Sicht behält.

Die Forscher brachten das beschichtete Material in die Schweizer Berge, um es zu testen. Bildquelle: Referenz [1]

Pulikakos und seine Kollegen nahmen mit dieser Beschichtung sogar Polyesterfolien und Silica-Wafer mit in die Berge der Schweiz, um deren Antibeschlag- und Entnebelungseigenschaften unter rauen Außenbedingungen zu demonstrieren.

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Auf den Markt gehen

Sie haben hierfür ein Patent angemeldet und hoffen, es auf den Markt bringen zu können. Der Gedanke an Gold in der Beschichtung könnte Sie jedoch abschrecken. Doch Wissenschaftler haben bereits nachgerechnet und herausgefunden, dass es gar nicht so teuer ist: „Da die Dicke des Nanogoldfilms weniger als 5 Nanometer beträgt, benötigt die gesamte Beschichtung nur sehr wenig Gold. Konkret enthält jeder Quadratmeter Beschichtung 100 Milligramm Gold, was bedeutet, dass für eine Brille etwa 0,3 Milligramm Gold benötigt werden, was 0,017 US-Dollar (entspricht 11,5 Cent in RMB) entspricht.“ sagte Iwan Haechler, der Erstautor der neuen Studie. Komplettbeschichtung und sonstige Preise sind selbstverständlich nicht enthalten.

Apropos Produkte: Das wichtigste Produkt auf dem Markt sind Antibeschlagtücher, die das Beschlagen verhindern, indem sie wischen und einen Film auf der Linse hinterlassen. Sie enthalten lediglich hydrophile oder hydrophobe Materialien, aber der Wischvorgang kann die ursprüngliche Linsenbeschichtung beschädigen. Was das Prinzip betrifft, verändern sie hauptsächlich den Kontaktwinkel zwischen dem Wassertropfen und der Linsenoberfläche, indem sie die Oberflächenbenetzbarkeit anpassen, was sich völlig von der Strategie des Prikakos-Teams unterscheidet.

Superhydrophile Materialien können beispielsweise dazu führen, dass sich Wassertropfen ausbreiten und einen Wasserfilm bilden, der Licht durchlässt. Daher erscheint die Linse für das bloße Auge transparent, verhindert jedoch nicht tatsächlich die Kondensation von Wasserdampf. Allerdings ist die Oberflächenenergie der hydrophilen Oberfläche relativ hoch, sodass sie Verunreinigungen wie Schmutz, Staub und Öltröpfchen leicht absorbiert. Schon kleine Verunreinigungen können die Leistung der superhydrophilen Oberfläche beeinträchtigen.

Bei superhydrophoben Oberflächen können wir uns einen Tautropfen auf einem Lotusblatt vorstellen – die superhydrophobe Oberfläche imitiert die Struktur des Lotusblattes, sodass Wassertropfen nicht an der Oberfläche haften bleiben und verschwinden. Doch die Herstellung einer solch perfekten bionischen Struktur ist eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe. Daher können die auf der Oberfläche angesammelten Wassertropfen nicht alle rechtzeitig abperlen, wie Sie es wünschen. Sie dringen wahrscheinlich weiter in die Oberfläche ein, was dazu führt, dass diese schließlich ihre Funktion verliert.

Die von Prikakos und seinem Team neu entwickelten Nano-Gold-Linsenbeschichtungen werden zweifellos eine Antibeschlag- und Entnebelungsfunktion erfüllen. Ob sie jedoch den Anforderungen einer langfristigen Nutzung gerecht werden und aktuelle Produkte übertreffen, muss sich noch zeigen.

Quellen:

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

[2]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b04481

[3]https://www.nature.com/articles/s41565-022-01269-z

[4]https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2018.09.001

[5]https://doi.org/10.1016/0275-5408(95)00023-2

[6]https://phys.org/news/2019-03-nanotechnology-sunlight-visibility.html

[7]https://www.zmescience.com/science/news-science/new-ultrathin-gold-coating-can-make-your-glasses-defog-themselves/

[8]https://www.zmescience.com/other/feature-post/how-to-prevent-your-glasses-from-fogging-when-wearing-a-face-mask/

Autor: Wang Yibo

Quelle: Global Science

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