智能玻璃的秘密

重光

不知你是否见过这样的酒店卫生间：卫生间是由透明的玻璃围成的，只需按一下遥控器，玻璃瞬间就变成磨砂的了，不再透明（图1）。

原来它叫“电控雾化玻璃”，是智能玻璃的一种。它又叫电控液晶调光夹层玻璃，这种玻璃是将聚合物分散液晶（polymer dispersed liquid crystal，PDLC）封装在两层玻璃之间，形成一个夹层。要弄懂它的原理先要弄懂液晶。

液晶即液态晶体，它的性质介于常规液体和固态晶体之间。例如，液晶可以像液体一样流动，但是其分子又可以像晶体一样有取向。因为液晶具有流动的性质，所以只需要施加很小的力就可以使液晶分子运动。液晶分子极易受外加电场的影响而产生感应电荷，利用这个特点，可以给液晶施加静电场，让其产生感应电荷进而产生静电扭力，使液晶分子定向排列，从而达到特定的光学效果。当撤走施加于液晶的电场时，液晶分子将凭借自身的弹性和黏性，迅速地恢复到原来未加电场时的状态，所以液晶分子具有响应快的特点（图2）。

手机、电脑的液晶显示屏就用到了液晶这些性质。两块偏振片呈90°放置，中间注入液晶。不给液晶分子通电时，液晶分子呈螺旋状排列，光沿着液晶分子的间隙扭转90°，所以能透过上方的偏振片;通电时，液晶分子在电场作用下垂直于偏振片，光会顺着液晶分子的间隙直线前进，所以光透不过上方的偏振片（图3）。

手机、电脑的液晶屏是透射显示，而电子手表则是反射显示，原理也类似（图4）。

而酒店里面的电控雾化玻璃也是利用了液晶在电场下会定向排列的特性。在聚合物分散液晶中，液晶被分散到液体聚合物中，然后将液体聚合物固化。聚合物固化后，液晶与固体聚合物不相容，所以在聚合物中是以小液滴的形式存在。就像图5所示的一样，小液滴内有许多液晶。生产的时候将液晶与液体聚合物的混合物注入两层玻璃（或塑料）之间，再将其固化，就成了夹层结构（图5）。没有施加电压的情况下，液晶是随机排列的，这时光线照到电控雾化玻璃上会发生散射，就像遇到了磨砂玻璃一样。外观上看起来是乳白色的，透光但不透明。当在电极上施加电压时，两块玻璃之间产生的静电场让液晶平行排列，使得光线得以透过液晶形成的小液滴而只发生很少的散射。理论上讲这种玻璃的透明程度可以通过调节所施加的电压来控制，低电压下少量液晶平行排列，只让少部分光通过。

除了聚合物分散液晶，能达到类似效果的还有悬浮粒子（Suspended-particle devices，SPD）和微型百叶窗（Micro-blinds）。

懸浮粒子的原理和聚合物分散液晶很像：两片玻璃（或塑料）之间是液体夹层，有棒状纳米颗粒悬浮于夹层的液体中。当不施加电压时，悬浮粒子会随机分布，阻挡和吸收光线;施加电压后，悬浮粒子会定向排列让光线通过。调节电压可以调节悬浮粒子的排列方向，从而调节玻璃的透光量（图6）。

至于微型百叶窗，则是在透明导电玻璃上沉积一层微米级的卷曲电极。因为微型百叶窗是微米级的，所以肉眼几乎看不见它。电压可以控制卷曲电极是卷曲还是展开，从而控制透光量（图7）。

上面提到了三种智能玻璃，它们的原理本质上都是宏观状态下物体的集体运动，是物理变化。还有的智能玻璃是通过微观状态下粒子的运动来实现的，是化学反应，比如电致变色玻璃。电致变色玻璃，顾名思义就是可以通过施加电压来改变玻璃的颜色（图9）。

电致变色玻璃大致可以分成7层，如图10所示，从左往右分别是透明玻璃（或塑料）、透明导电层、离子存储层、电解质层、电致变色层、透明导电层、透明玻璃。其中最重要的就是电致变色层。

电致变色层中含有变色材料。有的变色材料在高价态显色，低价态褪色，这种叫阳极变色材料，比如氧化镍（NiO）。氧化镍在高价态下显灰色，当它发生下面这个反应时，电致变色玻璃就可以从透明切换到灰色。

而有的变色材料则是在高价态透明，低价态时显色，这种就叫做阴极变色材料，比如说三氧化钨（WO3）。WO3与氢离子（H+）和锂离子（Li+）结合后，就会由透明转变为深蓝色，从而达到变色的效果。WO3是目前应用最多、性能最好的阴极着色材料，电致变色玻璃中很多用的都是它。

当给电致变色玻璃的透明导电层施加电压的时候，离子存储层中存储的锂离子（图中的蓝色圆圈）会在电场作用下穿过电解质层（图中从左到右），与电致变色层中的变色材料WO3结合，从而让变色材料变为蓝色，从而使其显得不透明（更暗）。

电致变色玻璃变色的程度可以通过电压的大小来调控。如果用光敏传感器代替手动调节按钮，让光敏传感器根据光强做出反应进而调节电压，那就是真智能玻璃。

电致变色玻璃相比于电控雾化玻璃的一个优点是，改变了玻璃的颜色之后是不需要再通电来维持的，这点比较像电纸书的墨水屏。不过，相比于电控雾化玻璃能实现从透明到不透明的瞬时切换，电致变色玻璃切换则比较慢，视玻璃的尺寸而定，从几秒钟到几分钟不等。电致变色玻璃色彩变化的一致性也不太好，它变色的时候，边缘会先变暗，然后向内扩展，形成比较大的色彩变化。这就使得电致变色玻璃不适合应用于快速切换的场景（比如浴室），而适用于露天的窗户。

除了电致变色玻璃外，还有光致变色玻璃、热致变色玻璃，好学的小可爱们看完文章后可以查资料看看它们是怎么工作的。

（本文经授权转载自“把科学带回家”微信公众号，有删节）