智能玻璃的秘密

重光

不知你是否見過這樣的酒店衛(wèi)生間：衛(wèi)生間是由透明的玻璃圍成的，只需按一下遙控器，玻璃瞬間就變成磨砂的了，不再透明（圖1）。

原來它叫“電控霧化玻璃”，是智能玻璃的一種。它又叫電控液晶調光夾層玻璃，這種玻璃是將聚合物分散液晶（polymer dispersed liquid crystal，PDLC）封裝在兩層玻璃之間，形成一個夾層。要弄懂它的原理先要弄懂液晶。

液晶即液態(tài)晶體，它的性質介于常規(guī)液體和固態(tài)晶體之間。例如，液晶可以像液體一樣流動，但是其分子又可以像晶體一樣有取向。因為液晶具有流動的性質，所以只需要施加很小的力就可以使液晶分子運動。液晶分子極易受外加電場的影響而產(chǎn)生感應電荷，利用這個特點，可以給液晶施加靜電場，讓其產(chǎn)生感應電荷進而產(chǎn)生靜電扭力，使液晶分子定向排列，從而達到特定的光學效果。當撤走施加于液晶的電場時，液晶分子將憑借自身的彈性和黏性，迅速地恢復到原來未加電場時的狀態(tài)，所以液晶分子具有響應快的特點（圖2）。

手機、電腦的液晶顯示屏就用到了液晶這些性質。兩塊偏振片呈90°放置，中間注入液晶。不給液晶分子通電時，液晶分子呈螺旋狀排列，光沿著液晶分子的間隙扭轉90°，所以能透過上方的偏振片;通電時，液晶分子在電場作用下垂直于偏振片，光會順著液晶分子的間隙直線前進，所以光透不過上方的偏振片（圖3）。

手機、電腦的液晶屏是透射顯示，而電子手表則是反射顯示，原理也類似（圖4）。

而酒店里面的電控霧化玻璃也是利用了液晶在電場下會定向排列的特性。在聚合物分散液晶中，液晶被分散到液體聚合物中，然后將液體聚合物固化。聚合物固化后，液晶與固體聚合物不相容，所以在聚合物中是以小液滴的形式存在。就像圖5所示的一樣，小液滴內有許多液晶。生產(chǎn)的時候將液晶與液體聚合物的混合物注入兩層玻璃（或塑料）之間，再將其固化，就成了夾層結構（圖5）。沒有施加電壓的情況下，液晶是隨機排列的，這時光線照到電控霧化玻璃上會發(fā)生散射，就像遇到了磨砂玻璃一樣。外觀上看起來是乳白色的，透光但不透明。當在電極上施加電壓時，兩塊玻璃之間產(chǎn)生的靜電場讓液晶平行排列，使得光線得以透過液晶形成的小液滴而只發(fā)生很少的散射。理論上講這種玻璃的透明程度可以通過調節(jié)所施加的電壓來控制，低電壓下少量液晶平行排列，只讓少部分光通過。

除了聚合物分散液晶，能達到類似效果的還有懸浮粒子（Suspended-particle devices，SPD）和微型百葉窗（Micro-blinds）。

懸浮粒子的原理和聚合物分散液晶很像：兩片玻璃（或塑料）之間是液體夾層，有棒狀納米顆粒懸浮于夾層的液體中。當不施加電壓時，懸浮粒子會隨機分布，阻擋和吸收光線;施加電壓后，懸浮粒子會定向排列讓光線通過。調節(jié)電壓可以調節(jié)懸浮粒子的排列方向，從而調節(jié)玻璃的透光量（圖6）。

至于微型百葉窗，則是在透明導電玻璃上沉積一層微米級的卷曲電極。因為微型百葉窗是微米級的，所以肉眼幾乎看不見它。電壓可以控制卷曲電極是卷曲還是展開，從而控制透光量（圖7）。

上面提到了三種智能玻璃，它們的原理本質上都是宏觀狀態(tài)下物體的集體運動，是物理變化。還有的智能玻璃是通過微觀狀態(tài)下粒子的運動來實現(xiàn)的，是化學反應，比如電致變色玻璃。電致變色玻璃，顧名思義就是可以通過施加電壓來改變玻璃的顏色（圖9）。

電致變色玻璃大致可以分成7層，如圖10所示，從左往右分別是透明玻璃（或塑料）、透明導電層、離子存儲層、電解質層、電致變色層、透明導電層、透明玻璃。其中最重要的就是電致變色層。

電致變色層中含有變色材料。有的變色材料在高價態(tài)顯色，低價態(tài)褪色，這種叫陽極變色材料，比如氧化鎳（NiO）。氧化鎳在高價態(tài)下顯灰色，當它發(fā)生下面這個反應時，電致變色玻璃就可以從透明切換到灰色。

而有的變色材料則是在高價態(tài)透明，低價態(tài)時顯色，這種就叫做陰極變色材料，比如說三氧化鎢（WO3）。WO3與氫離子（H+）和鋰離子（Li+）結合后，就會由透明轉變?yōu)樯钏{色，從而達到變色的效果。WO3是目前應用最多、性能最好的陰極著色材料，電致變色玻璃中很多用的都是它。

當給電致變色玻璃的透明導電層施加電壓的時候，離子存儲層中存儲的鋰離子（圖中的藍色圓圈）會在電場作用下穿過電解質層（圖中從左到右），與電致變色層中的變色材料WO3結合，從而讓變色材料變?yōu)樗{色，從而使其顯得不透明（更暗）。

電致變色玻璃變色的程度可以通過電壓的大小來調控。如果用光敏傳感器代替手動調節(jié)按鈕，讓光敏傳感器根據(jù)光強做出反應進而調節(jié)電壓，那就是真智能玻璃。

電致變色玻璃相比于電控霧化玻璃的一個優(yōu)點是，改變了玻璃的顏色之后是不需要再通電來維持的，這點比較像電紙書的墨水屏。不過，相比于電控霧化玻璃能實現(xiàn)從透明到不透明的瞬時切換，電致變色玻璃切換則比較慢，視玻璃的尺寸而定，從幾秒鐘到幾分鐘不等。電致變色玻璃色彩變化的一致性也不太好，它變色的時候，邊緣會先變暗，然后向內擴展，形成比較大的色彩變化。這就使得電致變色玻璃不適合應用于快速切換的場景（比如浴室），而適用于露天的窗戶。

除了電致變色玻璃外，還有光致變色玻璃、熱致變色玻璃，好學的小可愛們看完文章后可以查資料看看它們是怎么工作的。

（本文經(jīng)授權轉載自“把科學帶回家”微信公眾號，有刪節(jié)）