マスク着用後にメガネを上品にかけるには？

マスクを着用するようになってから、道を歩くときにもう一つやらなければならないことがあります。それは、マスクの鼻当ての両側にある金属片を手で押すことです。特に冬場は、吐き出した熱い空気がマスクと顔の隙間からメガネの中に入り込み、満潮のように鏡の表面に水滴の層を残して曇りが発生します。運が良ければ、潮が引くと霧はすぐに消えます。しかし、地下鉄の駅の外から中に入ると、メガネの外側も霧の層で覆われていることに気づくでしょう。

メガネが曇るというのは、実はメガネと周囲の空気との温度差によって水蒸気が凝縮して水になる現象です。レンズには反射を抑え、防水、耐油、ブルーライト耐性を持たせるために、さらに数層のフィルムが施されていることも特筆に値します。疎水性材料で作られていることが多く、水が鏡の表面を濡らして水滴を形成することが困難になります。これらの小さな水滴により、入射光があらゆる方向に散乱し、人がはっきりと見えにくくなります。

このとき、メガネについた水滴が蒸発して曇りが消えるのをただ待っていると、曇ったメガネをしたまま数分間歩き続けなければならないかもしれません。しかし、それ以外に何ができるでしょうか?

ディモス・プリカコスは、ETH チューリッヒの熱力学部門の責任者であり、同大学の新興技術のための熱力学研究所の創設者です。主に界面と熱力学に関する研究を行っています。プリカコス氏とその同僚はメガネの曇りに非常に興味を持ち、約6年前から新しいメガネコーティングの開発方法を考え始めました。このコーティングは、曇りを素早く除去したり、曇りを防いだりできるだけでなく、既存の技術と組み合わせて大量生産を実現できると期待されています。最近、プリカコス氏のチームは最新の研究結果をネイチャー・ナノテクノロジー誌に発表した。

メガネを自動加熱しますか?

この新しい技術の特別な点は、車の後部窓のデフロスターを模倣していることです。車を所有している人は、リアウィンドウの横線が実は電熱線であることを知っておくべきです。それらの目的は、加熱して蒸発を早め、霜取り/霧化効果を達成することです。しかし、手動で積極的にエネルギー（電気など）を供給することと比較して、プリカコス氏と彼の同僚は、レンズの一部を日常の環境（一定量の光がある）で加熱して温度差を減らし、それによって曇りの形成を防いだり、曇り止めの速度を上げたりできるのではないかと考えました。

「人々は通常、暗い表面を利用して光を吸収し、それを熱に変換します」とプリカコス氏のチームの博士課程の学生、エフストラティオス・ミトリディス氏は言う。しかし、ガラスは十分に透明でなければならないことはわかっているので、十分な光透過率を持ち、暗い表面と同様の効果（物体の温度を上げるのに十分な赤外線を吸収する）を実現できる特殊な透明コーティングを設計する必要があります。

科学者たちはすでに、金属ナノ粒子（特殊な種類のプラズマとみなすことができる）の場合、金属表面の自由電子の振動周波数が入射光の周波数に等しいときに共鳴が発生し、それによって対応する光の波長に対して強い局所吸収効果を生み出し、他の光の波長は通過させることを知っています。その共振周波数は可視光帯域に現れることが多いです。

現在、人工的に製造されたいくつかの光学メタマテリアルでは、科学者が特定の形態のナノ粒子をさまざまな表面に埋め込み、積み重ねて多層構造を形成することがよくあります。ナノ粒子のサイズ、位置、向きを調整したり、ナノ粒子の各層の厚さを変更したりして光とナノ粒子の相互作用を制御し、材料が異なる光学特性を示すことを可能にします。例えば、プラズマ共鳴周波数は近赤外線帯域まで広がります。これは、プリカコスのチームが最終的に選択した戦略でもあります。

研究チームの構想は、できるだけ多くの近赤外光を吸収しながら、できるだけ多くの可視光を透過させるタイプのメタマテリアルコーティングを準備することです。画像出典：参考文献[1]

この考え方に従って、彼らは2019年に、二酸化チタンの層と金ナノ粒子の層を交互に繰り返し積み重ねて作成したコーティングを初めて報告しました。 「私たちのコーティングは太陽からの赤外線だけでなく、可視光線も吸収します」と研究の筆頭著者であるクリストファー・ウォーカー氏は言う。「吸収された光は熱に変換されます。」これにより、レンズの温度が 3 ～ 4 度上昇し、メガネの曇りの原因となる温度差が減少します。この研究はNano Letters誌に掲載された。

しかし、このバージョンのコーティングの可視光透過率は約 36% に過ぎず、吸収率は約 30% ～ 40% に達します (可視光を例にとると、可視光透過率 + 吸収率 + 反射率 = 1)。これはレンズの光透過率に影響し、最終的には透明度と歪みに影響する可能性があります。そこで、プリカコス氏とその同僚は、その後 3 年間にわたり、より優れた光学効果を持つ眼鏡コーティングを求めて材料構造の最適化に取り組みました。そして、プロパティの変異はどこで発生するのでしょうか?

ナノゴールドフィルム

パーコレーション閾値とパーコレーション現象は、導電性複合材料でよく使用されます。これらの材料には、導電性粒子の体積分率の増加とともに導電性が非線形に増加し、ある臨界値で突然増加し、変化範囲が 10 桁以上になり、その後非線形に減少するという非常に重要な特性があります。

パーコレーション現象の原因から推測すると、金ナノ粒子の濃度が増加すると、これらの金ナノ粒子が一定の連続ネットワークを形成するときに、材料の光学特性が突然急速に増加すると考えられます。これが研究チームが考え、実行したことです。彼らは、この浸透の概念を利用して、眼鏡コーティングの光学性能の閾値を見つけたいと考えました。

2019年に使用された金ナノ粒子と比較して、今回は従来の熱蒸発プロセスを使用してナノゴールドフィルムを調製することを選択しました。彼らによれば、金が基板上に堆積すると最初に島が形成されるが、これらの島は小さく、互いに独立しているため、集団共鳴が起こることは困難である。より多くの金が堆積されるにつれて、これらの島々は互いに電気的に接続され、より大きな相互接続されたネットワークになります。

実際、このナノゴールドフィルムの層は二酸化チタンの 2 つの層の間に挟まれています。ナノゴールド膜の厚さが 4.75 ナノメートルのとき、この構造の材料は近赤外線吸収率が最大で約 36.9% となり、可視光線透過率も高く (67.1%)、可視光線をほとんど吸収しません (例: 近赤外線吸収率 = 吸収された近赤外線 / 吸収された入射光)。

さらに重要なのは、この新しいコーティングにより、1 太陽の放射でガラスが 8.3°C 加熱される可能性があることです (計算の結果、物理学者は地球上の太陽放射の電力密度が約 1000 ワット/平方メートルであることを確認したため、単に 1 太陽放射と呼ばれます)。太陽 0.6 個分の放射を受けても、気温は 5.4°C 上昇します。

レンズの 1 つは新開発のメタマテリアルでコーティングされ、もう 1 つは未処理でした。結果は、メタマテリアルコーティングによりレンズの曇りが防止されたが、未処理のレンズは完全に曇ったことを示しました。画像出典：参考文献[1]

もちろん、実際の使用においては、太陽光放射が非常に弱い状況に遭遇する可能性があります。このコーティングはまだ加熱の役割を果たすことができますか?

幸いなことに、このメガネには 2 つのレンズが付いているため、制御された実験を簡単に実行できます。レンズの 1 つは新開発のメタマテリアルでコーティングされ、もう 1 つは処理されていません。まず、プリカコス氏のチームはメガネを屋外に置き、太陽光（日射強度0.2～0.3）に5分間さらした。その後、マスクを着用した研究者らはメガネをかけ、息を吐いた。未処理のレンズは完全に曇ってしまうのに対し、メタマテリアルコーティングを施したレンズは、このような理想的でない状況でも完全な視界を維持していることは明らかです。

研究者たちはコーティングされた材料をスイスの山々に持ち込み、テストを行った。画像出典：参考文献[1]

プリカコス氏とその同僚は、このコーティングを施したポリエステルシートとシリカウェハーをスイスの山岳地帯に持ち込み、厳しい屋外環境下での防曇・防曇機能を実証した。

市場へ進出

彼らはこれについて特許を申請しており、市場に投入することを望んでいます。しかし、コーティングに金が使われていると考えると、気が進まないかもしれません。しかし、科学者たちはすでに計算を済ませており、それほど高価ではないことを発見しています。「ナノゴールドフィルムの厚さは5ナノメートル未満なので、コーティング全体に必要な金はごくわずかです。具体的には、コーティング1平方メートルあたり100ミリグラムの金が含まれており、メガネ1組に必要な金は約0.3ミリグラムで、これは0.017米ドル（人民元で11.5セントに相当）に相当します。」新しい研究の筆頭著者であるイワン・ヘクラー氏はこう語った。もちろん、全体のコーティングやその他の料金は含まれていません。

製品で言えば、レンズを拭いて膜を残すことで曇りを防ぐ曇り止めワイプが市場で主流となっている。これらには親水性または疎水性の材料が含まれているだけですが、拭き取ると元のレンズコーティングが損傷する可能性があります。原理としては、主に表面の濡れ性を調整することで水滴とレンズ表面の接触角を変えるというもので、プリカコスチームの戦略とは全く異なります。

たとえば、超親水性材料は水滴を広げて光を通過させる水膜を形成できます。そのため、レンズは肉眼では透明に見えますが、実際には水蒸気の結露を防ぐことはできません。しかし、親水性表面は表面エネルギーが比較的高いため、汚れやホコリ、油滴などの不純物を吸収しやすいという欠点があります。ほんの少しの不純物でも、超親水性表面の性能を弱める可能性があります。

超疎水性表面といえば、蓮の葉の上の露を思い浮かべることができます。超疎水性表面は蓮の葉の構造を模倣しているため、水滴は表面に付着せず、離れていきます。しかし、そのような完璧なバイオニック構造を準備することは、極めて困難な作業です。そのため、表面に集まった水滴は、期待通りにすべて滑り落ちることはありません。これらは表面への「侵入」を続け、最終的には表面の機能を失うことになる可能性が高い。

プリカコス氏と彼のチームが新たに開発したナノゴールドレンズコーティングは、間違いなく防曇・防曇の役割を果たすだろうが、長期使用のニーズを満たし、現在の製品よりも優れた性能を発揮できるかどうかはまだテストされていない。

参考文献:

[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/

著者: 王一博

出典: グローバルサイエンス