智能玻璃背后的大學(xué)問

在剛剛過去的十一假期，趁著秋高氣爽，憋了半年的小編也像大家一樣跑去浪里個(gè)浪了。

剛進(jìn)酒店房間的時(shí)候，小編就發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)異樣：衛(wèi)生間，你不對(duì)勁！衛(wèi)生間是由透明的玻璃圍成的，然而連個(gè)窗簾都沒得……這可不得現(xiàn)場直播了嗎？

小編轉(zhuǎn)念一想：酒店肯定不會(huì)采用這么反人類的設(shè)計(jì)，莫非……莫非這不是普通的玻璃？可湊上前去對(duì)玻璃一通觀察，竟然沒發(fā)現(xiàn)什么異樣。這時(shí)，床頭的一個(gè)小遙控器吸引了小編的注意。這個(gè)遙控器和汽車鑰匙差不多大小，小編好奇按一下，玻璃竟然瞬間變成磨砂的了，不再透明。這可太神奇了。

愛學(xué)習(xí)的小編自然不會(huì)錯(cuò)過這個(gè)學(xué)習(xí)的好機(jī)會(huì)，打開電腦一查才知道原來這是電控霧化玻璃，是智能玻璃的一種。電控霧化玻璃又叫電控液晶調(diào)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(gè)夾層。那么為什么在玻璃間封裝了液晶，就這么“智能”了呢？這就需要知道液晶是什么。

液晶即液態(tài)晶體，它的性質(zhì)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(dòng)，但是其分子又可以像晶體一樣有取向。

液晶 |來源：Wikipedia

因?yàn)橐壕Ь哂辛鲃?dòng)的性質(zhì)，所以只需要施加很小的力就可以使液晶分子運(yùn)動(dòng)。液晶分子極易受外加電場的影響而產(chǎn)生感應(yīng)電荷，利用這個(gè)特點(diǎn)，可以給液晶施加一靜電場，讓其產(chǎn)生感應(yīng)電荷進(jìn)而產(chǎn)生靜電扭力，使液晶分子定向排列，從而達(dá)到特定的光學(xué)效果[1]。當(dāng)撤走施加于液晶的電場時(shí)，液晶分子將憑借自身的彈性和黏性，迅速地恢復(fù)到原來未加電場時(shí)的狀態(tài)，所以液晶分子具有響應(yīng)快的特點(diǎn)。

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

液晶顯示器的原理，P1、P2是偏振片，G是玻璃層，E1、E2是導(dǎo)電板 |來源：Wikipedia

手機(jī)、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。

1、5是垂直放置的偏振片，2、4是透明導(dǎo)電玻璃，3是液晶，6是反光鏡 | 來源：Wikipedia

而酒店里面的電控霧化玻璃也是利用了液晶在電場下會(huì)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[2]。就像下圖中所示的一樣，小液滴內(nèi)有許多液晶。生產(chǎn)的時(shí)候?qū)⒁壕c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(jié)構(gòu)。

圖中的PDLC膜被有透明導(dǎo)電玻璃（比如氧化銦錫）涂層的PET膜所包圍 | 來源：glass-apps.com

沒有施加電壓的情況下，液晶是隨機(jī)排列的，這時(shí)光線照到電控霧化玻璃上會(huì)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(dāng)在電極上施加電壓時(shí)，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(diào)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。不過小編住的酒店只有透明和不透明兩檔……

除了聚合物分散液晶，能達(dá)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(dāng)不施加電壓時(shí)，懸浮粒子會(huì)隨機(jī)分布，阻擋和吸收光線；施加電壓后，懸浮粒子會(huì)定向排列讓光線通過。調(diào)節(jié)電壓可以調(diào)節(jié)懸浮粒子的排列方向，從而調(diào)節(jié)玻璃的透光量。

懸浮粒子智能玻璃的原理 | 來源：HowStuffWorks.com

至于微型百葉窗，則是在透明導(dǎo)電玻璃上沉積一層微米級(jí)的卷曲電極。因?yàn)槲⑿桶偃~窗是微米級(jí)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。

電子顯微鏡下的微型百葉窗 | 來源：[3]

微型百葉窗可玩性挺高的 | 來源：DMDisplay

上面提到了三種智能玻璃，它們的原理本質(zhì)上都是宏觀狀態(tài)下物體的集體運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，是化學(xué)反應(yīng)，比如下面即將介紹的電致變色玻璃。

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。

左圖：電致變色玻璃未通電，看起來和普通玻璃沒什么區(qū)別；右圖：電致變色玻璃通電后變成了深藍(lán)色 | 來源：NREL

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

電致變色玻璃的結(jié)構(gòu) |來源：HowStuffWorks

電致變色層中含有變色材料。有的變色材料在高價(jià)態(tài)顯色，低價(jià)態(tài)褪色，這種叫陽極變色材料，比如NiO[4]。NiO在高價(jià)態(tài)下顯灰色，當(dāng)它發(fā)生下面這個(gè)反應(yīng)時(shí)，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(jià)態(tài)透明，低價(jià)態(tài)時(shí)顯色，這種就叫做陰極變色材料，比如說WO3[4]。WO3與H+和Li+結(jié)合后，就會(huì)由透明轉(zhuǎn)變?yōu)樯钏{(lán)色，從而達(dá)到變色的效果。WO3是目前應(yīng)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。

知道了變色材料變色的原理，現(xiàn)在就能更好地理解電致變色玻璃的工作原理啦。當(dāng)給電致變色玻璃的透明導(dǎo)電層施加電壓的時(shí)候，離子存儲(chǔ)層中存儲(chǔ)的離子會(huì)在電場作用下穿過電解質(zhì)層，與電致變色層中的變色材料結(jié)合，從而讓變色材料變色。

電致變色玻璃工作原理 | 來源：HowStuffWorks

下面這幅動(dòng)圖可能更好理解一點(diǎn)，以WO3為例，向離子存儲(chǔ)層和電致變色層之間施加電壓，鋰離子（圖中的藍(lán)色圓圈）從離子存儲(chǔ)層移動(dòng)到電致變色層（圖中從左到右）讓W(xué)O3變?yōu)樗{(lán)色。這樣玻璃反射、吸收的光線更多，而透射的光線更少，從而使其顯得不透明（更暗）。

電致變色玻璃工作原理 | 來源：explainthatstuff.com

電致變色玻璃變色的程度可以通過電壓的大小來調(diào)控。如果用光敏傳感器代替手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕，讓光敏傳感器根據(jù)光強(qiáng)做出反應(yīng)進(jìn)而調(diào)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是，改變了玻璃的顏色之后是不需要再通電來維持的，這點(diǎn)比較像電紙書的墨水屏。

不過，相比于電控霧化玻璃能實(shí)現(xiàn)從透明到不透明的瞬時(shí)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。這個(gè)好理解，畢竟離子遷移還是需要時(shí)間的。電致變色玻璃色彩變化的一致性也不太好，它變色的時(shí)候，邊緣會(huì)先變暗，然后向內(nèi)擴(kuò)展，形成比較大的色彩變化。

波音787客機(jī)的電致變色玻璃，明顯可以看出中間變色要比邊緣慢一拍 |來源：makeagif.com

這就使得電致變色玻璃不適合應(yīng)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(xué)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。

參考資料

[1]液晶顯示器

[2]Smart glass

[3] Lamontagne B, Barrios P, Py C, et al. NEXT GENERATION OF SWITCHABLE GLASS: THE MICRO-BLINDS[J]. Verre, 2010, 16: 50-53.

[4] Daniela Lisi, ELECTROCHROMICGLASS [D], UNIVERSITà DEGLI STUDI DI LECCE, 2002.

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：玻璃，竟然還可以這么智能！??！

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