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液态金属的镜面光学效应

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:但这种水银反射镜由于其毒性及旋转等不可靠因素很难应用于日常生活。图3.11液态金属天文反射镜[6]笔者实验室采用安全性较高的镓基低熔点合金,借助建立的液态金属喷雾技术,将此类液态金属印刷涂敷到柔性透明基底如PVC材料上,可制成背面柔性反射镜。为有效保持其液态,背面层还采用柔性封装材料,以确保牢固性与可靠性。图3.13液态金属沉积于基底上的反光效应

液态金属的镜面光学效应

自古以来,就有“对镜贴花黄”的美传。从最初的以水为镜,到研磨抛光的古铜镜,再到家家必备的玻璃镜,液态金属汞在其中扮演过怎样的角色呢?

世界上第一面玻璃镜,是在“玻璃王国”——威尼斯诞生的。最初,威尼斯人用水银(即汞)来制造玻璃镜[4],其制作过程是:先在玻璃上紧贴一张锡箔,然后再倒上水银而制成。由于水银能够很好地溶解锡,这一混合过程可形成一种黏稠的银白色液体——“锡汞齐”[5],其能够紧紧黏附于玻璃上,当光线透过玻璃射到玻璃和锡汞齐的分界面上时,由于锡汞齐自身的特性——高反射率、低透射率、低吸收率,光线会在此形成全反射(图3.10)。玻璃能提供一个较平整的平面,让水银的镜面反射尽量完整,从而形成清晰的镜像。不过,水银在镜子背面并不能完全挥发,而是会慢慢地渗入镜子中,甚至氧化变黑,这样一来,日积月累,镜子便不再清晰。再加上水银的毒性,此类水银镜慢慢退出人们的生活,逐步被银镜取代。所谓银镜,顾名思义由银制成,是将硝酸银与还原剂混合,使硝酸银析出银,附着在玻璃上而制成,这种镜子的反射率较锡汞齐更高。

图3.10 古代镜子及反射原理[4,5]

现代社会中,工业界发展了各种各样方式的制作镜子方法。通常,人们采用化学镀银和真空蒸镀等方法在玻璃表面形成具有反射特性的银层。最常用的化学镀银法是将硝酸银溶于水中,并通过氨水和NaOH溶液稀释形成氢氧化银氨复盐,亦称镀银液。而还原液则是采用甲醛酒石酸钾钠溶液等。将镀银液和还原液混合浸注玻璃表面形成镜面,并可通过镀铜和涂覆防护漆来加以保护。这种基于刚性基底的反射镜不具备可弯曲特性。那么,我们是否可以制造出柔性镜子呢?

科学家采用水银制作了直径6m的天文反射镜(图3.11)[6],突破了传统反射镜的设计理念。这种水银反射镜基于水银较高的反射系数,并通过旋转圆柱腔体内水银形成巨大凹面镜。其突出优点是可通过调整旋转速度来实时控制焦距。但这种水银反射镜由于其毒性及旋转等不可靠因素很难应用于日常生活。

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图3.11 液态金属天文反射镜[6]

笔者实验室采用安全性较高的镓基低熔点合金,借助建立的液态金属喷雾技术,将此类液态金属印刷涂敷到柔性透明基底如PVC材料上,可制成背面柔性反射镜。考虑到此类材料易于氧化,我们也直接将其制作到特定溶液中,可保持较长时间的光洁度(图3.12)。金属镓具有较高的反射率,通过与柔性透明基底紧密结合,可形成一层高反射膜(图3.13)。为有效保持其液态,背面层还采用柔性封装材料,以确保牢固性与可靠性。这种柔性反射镜具有焦距自调节、可拉伸等特性,不仅用于哈哈镜等日常消费品,还可用于低成本化太阳能聚焦发电[7]等工业领域

图3.12 镓铟锡合金在不同生理溶液中表面反射情形

a.0.9%NaCl溶液;b.120 mmol HC1溶液。

图3.13 液态金属沉积于基底上的反光效应

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