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飞蛾眼睛启发防眩光屏幕

时间: 2017年07月15日 | 作者: Mike McRae | 来源: Sciencealert
蛾子眼部的纳米结构能够减少反光从而避免被捕食者发现。

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最近,美国和台湾地区的工程师团队发明了一款新型的增透膜。这款透明薄膜不仅能够有效提高移动设备在烈日下的可读性,而且可以适用于柔性屏幕,除此之外,还能起到抗污抗指纹的作用。

 

然而,这样一项神奇发明的灵感,竟来源于蛾子——其眼部的纳米结构能够减少反光从而避免被捕食者发现。光线穿透蛾眼的曲面上时会发生折射,当它再次从眼部反射的时候会因为散射而避免亮光的产生。

 

我们人类自然不必担心屏幕反光会让昆虫的捕食者蠢蠢欲动,但这些晃眼的亮光的确让人无比心烦。事实上,强光可视性(Sunlight Readability)是评价显示设备,尤其是移动显示设备的一项重要指标。通常,手机会自动提高显示亮度来解决这一问题,但与之而来的却是耗电量的剧增。而增透膜或者说减反膜(Anti-reflection Film)则可以通过减少表面反射来显著增强设备的强光可视性。当然了,防反射和防眩光涂层并不新鲜,但多数都存在这样那样的问题,它们要么会降低光线透射率,要么会反射特定波长的光,要么容易损坏,要么昂贵。

 

因此,能够使来自某一面的光线发生散射,但从另一面来的光线尽可能穿过的结实、透明的材料,有待开发。

 

这款“蛾眼”宽带增透膜的诞生,就是为了在不降低屏幕分辨率的前提下,实现减少眩光、自洁的功能,同时保证成本较低且能够适配移动设备。其实早前就已经有人从蛾眼中汲取灵感,开发出了用于太阳能电池板的涂层,此外也有利用表面蚀刻来散射光线的类似涂层。

 

这种单层材料可以通过离心二氧化硅微球溶液获得,方法可以说相当简单。然而,想要让涂层覆盖整个屏幕依旧是一个不小的挑战。研究团队构使用了数学模型调整最佳参数,构建出的材料上有着直径为100纳米的凹痕,彼此相离10纳米。直观来说,相当于1000个这样的凹痕排成一排,才有一根头发丝粗细。中佛罗里达大学教授吴诗聪(Shin-Tson Wu)说:“尽管这种蛾眼的结构能够减少表面反射,但想要用这种纳米结构制造像手机或者平板电脑屏幕那么大的增透膜还相当困难。因为这样的结构太小了,高分辨率和高精度的制造技术十分必要。”

 

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a)单层二氧化硅(SiO2)纳米颗粒的扫描电镜照片;(b)氢氟酸(HF)酸洗前,三乙酰纤维素(TAC)基底上的纳米结构;(c)蛾眼纳米结构的俯视扫描电镜照片;(d)蛾眼纳米结构的侧视扫描电镜照片。

 

一块典型的iPhone屏幕大概会反射4.4%的光线;而有了这层膜,就能够只反射0.23%的光线了。这在实际应用上意义重大,在阳光下它能够令屏幕的对比度提升4倍,而在阴凉处,对比度可提高10倍。

 

吴教授说:“我们研发的增透膜效果明显、成本低廉,能够减少表面反射并提高移动设备的强光可视性。”

 

不仅如此,蛾眼增透膜的抗污性能也非常优越。一般的触摸屏都非常容易粘上指纹、皮肤油脂、汗水、灰尘和化妆品等。而具有疏水疏油性质的增透膜则不怕这些问题。它强大自洁能力的秘密就在其纳米结构表面的两性氟烷基分子。研究人员通过静态悬滴-水接触角测试可以判断屏幕的抗污性能。接触角是指在固体水平平面上滴一液滴,固体表面上的固-液-气三相交界点处,其气-液界面和固-液界面两切线把液相夹在其中时所成的角θ。若θ<90°,则固体表面是亲水性的,即液体较易润湿固体,其角越小,表示润湿性越好;若θ>90°,则固体表面是疏水性的,即液体不容易润湿固体,容易在表面上移动。而结果表明,相比于普通平面硬涂层,蛾眼纳米结构涂层的水接触角超过100°,意味着其自洁性能更好。

 

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测量接触角示意图,图片来源:https://en.wikipedia.org/wiki/Contact_angle

 

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水接触角测量:(a)普通平面硬涂层的水接触角为91.3°;(b)蛾眼结构涂层的水接触角103.4°。

 

目前,该纳米材料硬度高、柔性好和自洁能力强的优越特性已经展现出了巨大的潜力,有望在移动设备和柔性屏幕等方面获得广泛应用。研究人员已经表明其数学模型可以用来优化这一材料,他们也希望进一步挖掘这一新材料的潜能,在强度和柔性之中寻找平衡。

 

撰文 | Mike McRae

翻译 | 秦琪凯

审校 | 王妍琳

 

原文链接:

https://www.sciencealert.com/this-screen-based-on-moths-eyes-makes-it-easy-to-read-your-phone-in-the-sun


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