“看动图学科学”之隐藏的文字

摘要

一块看上去非常普通的透明薄膜,被拉伸后上面竟然显示出若干文字,而如果撤去外力让薄膜恢复原有形状,文字又消失了。那么这块薄膜究竟是什么神奇的材料,里面蕴藏了什么样的玄机?实际这块薄膜的成分是很常见的一种橡胶聚二甲基硅氧烷(俗称PDMS),只不过其中掺杂了许多直径在几百纳米左右的二氧化硅的纳米颗粒。那么为什么这样一块薄膜在被拉伸时会显示出隐藏的文字呢?原来,研究人员巧妙利用了折射率匹配的方法。

让我们看这样一个有趣的动图:一块看上去非常普通的透明薄膜,被拉伸后上面竟然显示出若干文字,而如果撤去外力让薄膜恢复原有形状,文字又消失了。

隐藏的文字:原本透明的薄膜在被拉伸后会显示出文字[1]

隐藏的文字:原本透明的薄膜在被拉伸后会显示出文字[1]

看上去很奇妙吧。那么这块薄膜究竟是什么神奇的材料,里面蕴藏了什么样的玄机?实际这块薄膜的成分是很常见的一种橡胶聚二甲基硅氧烷(俗称PDMS),只不过其中掺杂了许多直径在几百纳米左右的二氧化硅的纳米颗粒。那么为什么这样一块薄膜在被拉伸时会显示出隐藏的文字呢?

我们都知道,当光从空气中照射到一块玻璃的表面时,会发生两种重要的光学现象:一部分光线回到空气中,即发生了反射;剩下的光线虽然得以进入玻璃,传播方向却可能发生了改变,也即发生了折射。物理老师通常会告诉我们,反射和折射之所以会发生,是因为光从一种物质进入了另一种物质。更为准确地说,是光从一种物质进入到折射率不同的另一种物质。某种物质的折射率定义为“光在真空中的速度除以光在这种介质中的速度所得的的数值”。因此真空的折射率自然为1。 可见光在空气中的传播速度与它在真空中的速度相差无几,而在固体或液体中的速度要明显更低,所以空气的折射率可以看作约等于1,而其它材料的折射率则远大于1[2]. 例如玻璃的折射率在1.5-1.6这个范围,而钻石的折射率则可以高达2.4. 两种物质的折射率相差越大,那么光在它们界面发生的反射和折射也就越明显。

如果相互接触的两种物质中,其中一种的尺寸小到与可见光的波长相近甚至更小,那么当光来到它们的界面上时,发生的不再是单纯的反射和折射,而是干脆偏离原有的路径,向着四面八方传播开去,这种现象称为散射[3]。散射在我们的生活中也很常见,例如含有泥沙的水之所以变得浑浊,就是因为悬浮在水中的泥沙小颗粒将部分光线散射,使之不能顺利穿过水进入我们的眼睛。而牛奶中不溶于水的蛋白质和脂肪形成的颗粒对于光的散射更加强烈,以至于入射的光线完全不能穿透,而是返回到我们的眼中,因此我们看到牛奶是白色的。同反射和折射类似,两种物质的折射率相差越大,光在它们的界面发生的散射也就越明显。

但如果相互接触的两种物质折射率完全相同,情况就截然不同了。在这种情况下,尽管在我们看来仍然是两种材料,光却感受不到丝毫的差别,因此当光经过两种材料的界面时,无论是反射、折射还是散射都将不复存在,我们的眼睛自然无法将他们区分开。当然,要找到折射率完全相同的两种材料并不容易,但只要二者的折射率足够接近,光在它们界面上的反射、折射或者散射仍然可以微弱到让人眼难以察觉的程度。例如前面提到玻璃的折射率在1.5左右,而水的折射率约为1.33,二者的差距不算小,因此如果将一块玻璃投入水中,尽管双方都是无色透明的,我们仍然可以轻易将它们分辨开。但如果将一块折射率为1.35的透明材料浸入其中,它就像是溶解在水中一样,变得难以察觉。像这样让两种材料折射率相互接近以便消除反射、折射或散射的方法称为“折射率匹配”,它在很多场合都有着重要应用。例如我们需要将几块玻璃粘起来做成一件工艺品,那么用来粘玻璃的胶不仅要无色透明,折射率还要尽量与玻璃接近,否则可能会影响视觉效果。

折射率匹配的一个实例:将折射率为1.35的材料浸入水(折射率1.33)中,由于光在界面上的反射和折射很微弱,人眼很难将二者区分开 [4]

折射率匹配的一个实例:将折射率为1.35的材料浸入水(折射率1.33)中,由于光在界面上的反射和折射很微弱,人眼很难将二者区分开 [4]

开发出我们在本文开头看到的神奇薄膜的研究者——来自美国宾夕法尼亚大学的科学家们也是利用了折射率匹配。聚二甲基硅氧烷本身无色透明,将二氧化硅的纳米颗粒分散到其中后,按理说会由于强烈散射光线让后者的透明度下降。但二氧化硅和聚二甲基硅氧烷的折射率非常接近,分别为1.457和1.425[5],因此由于二氧化硅纳米颗粒造成的光散射非常微弱,聚二甲基硅氧烷的透明程度几乎不受影响。

薄膜被拉伸时透明程度变化的基本原理:由于二氧化硅和聚二甲基硅氧烷的折射率接近,分散在聚二甲基硅氧烷薄膜中的二氧化硅纳米颗粒不会造成明显的光散射,薄膜得以保持很高的透明程度;当薄膜被拉伸时,二氧化硅纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷之间出现充满空气的微小孔洞,这些孔洞强烈散射入射的光线,导致薄膜透明程度下降[1]。

薄膜被拉伸时透明程度变化的基本原理:由于二氧化硅和聚二甲基硅氧烷的折射率接近,分散在聚二甲基硅氧烷薄膜中的二氧化硅纳米颗粒不会造成明显的光散射,薄膜得以保持很高的透明程度;当薄膜被拉伸时,二氧化硅纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷之间出现充满空气的微小孔洞,这些孔洞强烈散射入射的光线,导致薄膜透明程度下降[1]。

然而当我们拉伸这块薄膜时,情况又不一样了。聚二甲基硅氧烷是一种橡胶,有着很好的弹性,在外力作用下可以轻易被拉伸到几倍于原有的长度,外力撤去又可以恢复原状;而二氧化硅却和它“性格迥异”——又硬又脆,毫无弹性可言。因此,当聚二甲基硅氧烷被拉伸到一定程度时,二氧化硅的纳米颗粒很快就跟不上前者的“步伐”。这样一来,在两种材料之间就出现了许多空气的小孔洞。前面提到,空气的折射率近似为1,它与聚二甲基硅氧烷以及二氧化硅之间如此大的折射率差异足以使得空气的微孔强烈散射进入薄膜的光线。当薄膜被拉伸到初始长度的两倍时,空气孔洞的散射是如此强烈,以至于薄膜变得不再透明。一旦外力撤除,聚二甲基硅氧烷又恢复到原来的形状,那些“趁隙而入”的空气也被赶走,散射现象近乎消失,因此薄膜又恢复了透明[6]。

含有二氧化硅微粒的聚二甲基硅氧烷薄膜在被拉伸时,内部会出现充满空气的孔洞,这些孔洞强烈散射入射的光线,导致薄膜透明程度下降[1]

含有二氧化硅微粒的聚二甲基硅氧烷薄膜在被拉伸时,内部会出现充满空气的孔洞,这些孔洞强烈散射入射的光线,导致薄膜透明程度下降[1]

实际上空气的微孔在散射光线时,还同时造成了一种叫做“干涉”的光学现象,这使得在特定的区域,某种波长的可见光强度明显高于其他的可见光。因此,薄膜被拉伸时不仅变得不透明,还呈现出一定的颜色,这样的颜色不是来自于颜料,而是由于特殊的结构所导致,因此被称为结构色。

那么隐藏在薄膜中的文字又是如何实现的?方法很简单,只需要在聚二甲基硅氧烷的部分区域添加二氧化硅的纳米颗粒即可。当薄膜被拉伸时,有二氧化硅纳米颗粒的区域由于空气的进入变得不再透明,而没有二氧化硅微粒的区域不会出现这些充满空气的孔隙,散射不会发生,自然得以一直保持很高的透明程度。由于不同区域透明程度不同,薄膜上就显示出了一定的内容。而且通过控制添加二氧化硅微粒的区域,我们还可以分别让薄膜显示出阳文或者阴文。

这样的一块薄膜不仅仅非常有趣,还有着潜在的应用价值。制造出这块薄膜的研究人员认为,这种技术或许可以被用来生产所谓的“智能玻璃”。这是一个什么样的概念呢?我们知道,每当夜幕降临,我们总要拉上窗帘,遮挡室内光线以防止外人偷窥。但如果窗户旁边有个按钮,一按下去原本透明的玻璃就能将光线彻底挡住,那岂不是更加方便?这样的玻璃就是通常所说的智能玻璃。

目前已经有一些技术可以实现智能玻璃,但通常比较复杂。例如比较常用的一种方法是电致变色,即通过外加电场造成的结构改变来遮挡进入玻璃的光线,这通常需要比较复杂的装置。但如果用前面提到的薄膜覆盖在玻璃上,在需要遮挡光线时,只要将薄膜拉伸就可以了,这就方便了许多。当然,我们也可以像本文开头的动图展示的那样,用它来隐藏特定的文字或者图形。或许当007或者碟中谍系列的下一部影片上映时,主人公就会用上这样的道具呢。

 

参考文献和注释

[1] Dengteng Ge, Elaine Lee, Lili Yang, Yigil Cho, Min Li, Daniel S. Gianola and Shu Yang, “A Robust Smart Window: Reversibly Switching from High Transparency to Angle-Independent Structural Color Display”, Advanced Materials, 2015, 27, 2489

[2] 可见光是波长在390-700 纳米左右的电磁辐射。同一物质对于不同波长的可见光的折射率略有不同,一般给出的数据是物质对于波长为589纳米的可见光的折射率。另外折射率的概念对于可见光之外的电磁辐射也适用,而对于这些波长的电磁辐射,折射率有时可以小于1,例如X射线。

[3]根据微粒的尺寸与波长之间的相对关系,光的散射还可以进一步分为米氏散射和瑞利散射。当微粒尺寸与光的波长接近时,散射的程度与波长无关,称为米氏散射;当微粒尺寸远小于光的波长时,散射光的强度与其波长的四次方成反比,称为瑞利散射。

[4] https://www.imt.kit.edu/english/695.php

[5] 这两个折射率数值来自原论文,论文中注明测量所用波长为632.8纳米。

[6] 实际上即便没有二氧化硅纳米颗粒,聚二甲基硅氧烷本身在被拉伸时也会出现一些裂缝和表面的粗糙结构,这些结构也会造成光散射,但程度相对较弱,虽然可以造成薄膜透明程度的下降,还不足以让薄膜变得完全不透明。

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  1. avatar affirmative 1

    楼主这篇文章非常好,非常感谢!
    认真读完,还有两个问题,不知有没有高人给解答一下,万谢!
    1、拉伸时,内部出现很多充满空气的孔洞
    空气是怎么进去的?
    一般二氧化硅存在一定的孔,比如孔容是0.5ml/g
    是不是制备出的填充PDMS里,孔中的空气仍在
    拉升PDMS时形成孔洞时,这些气体就进去了;
    或者,如果PDMS中的二氧化硅孔里没有空气,
    拉升PDMS时,形成的是真空的孔,同样也会产生折射吧
    2、普通二氧化硅填充的PDMS,拉伸时会变不透明;
    而气相法二氧化硅填充的PDMS,就没有这个问题
    一般来说,普通二氧化硅粒径较大,二次粒径在几微米左右;
    气相法二氧化硅的粒径较小,二次粒径大概是几百纳米,更小一点,分散性也好一些

  2. avatar ncdty 2

    文章很好,学到了,但象另一们朋友疑问的,拉伸时内部会出现充满空气的孔洞,空气会趁隙而入,放开时又会被赶走……这种说法让人很疑惑,微观结构这应该是完全密封的,空气从哪进去的?又怎么被赶走?靠扩散进出速度不可能跟的上。个人觉得其实没有必要引入空气这个媒介,真空不是一样会产生这些现象吗?

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