细思极恐,长这么大还没见过透明的金属!

2022年04月15日 阅读量:13

你知道如何制造镜子吗?

镜子的制造原理其实很简单,就是在透明的玻璃表面镀一层不透明的金属膜(现代制镜通常是镀银),使其表面能够成像。那么,为什么玻璃透明而金属不透明呢?

简单来说,玻璃之所以透明是因为它无法吸收可见光,而金属不透明是因为它吸收了可见光。这个道理听起来很容易理解,那么,决定物质能否吸收可见光的因素是什么呢?

我们通常说的白光通过三棱镜折射后产生的光谱示意图

来源丨维基百科

01

不透明与能量

我们不妨从能量的角度来解释这个问题。

物质中的能量不是连续的,而是“一片一片”的,如同天空中的白云,这一片那一片。这些“一片一片”的能量被称为能带

能带与能带之间具有能量差异(即不同能级),有的能带能级较高,有的能带能级偏低。就像白云一样,能带中也有很多“小水滴”,就是电子,它们总是不甘平凡,想要跨越级别,“跑”到能级更高的能带上。

但是电子本身的能量不足以支撑这种跨越,所以它们必须从外界吸收能量,以完成能级跃迁

可见光作为一种电磁波,本身是含有能量的,因此,物质中的电子可以借助可见光的能量进行跃迁。不过跃迁能否成功,还要取决于外界能量是否能够覆盖两个能带之间的能量差异

假设两个能带之间的最小能量差异为2电子伏(eV),而外界能量恰好等于2eV,电子便可吸收这些能量成功跃迁;但是如果外界能量小于2eV,电子就无法吸收这些能量,也就无法借助这些能量完成跃迁了,这些能量对电子来说是无用的。

金属中含有大量电子,这些电子分布在一系列准连续的能级即能带上,这些能级之间的能量差异较小,电子只需吸收少量的能量便可完成跃迁。

而且,电子仅填满了部分能带,于是,能带的“闲置”部分便为那些跃跃欲试、准备跃迁的电子提供了空间。因此,当可见光照射到金属表面,其中所含的能量马上被金属中的电子吸收,使得金属看起来不透明。

不透明的金属铁 来源丨维基百科

不过,金属的这种不透明,是基于可见光的能量条件(不同波长的电磁波能量也不同)。如果改变这个条件,情况就会发生变化。

我们知道,可见光是电磁波中波长范围在400~800nm的部分。除了可见光,电磁波中还有其他为我们所熟知的部分,比如微波炉所使用的微波,其波长范围是1mm~1m;还有医院用来检查身体的X射线,其波长范围是0.01~10nm。

在可见光状态下,我们的身体是不透明的,我们不能透过皮肤和肌肉看清体内的骨骼和器官;但是在X射线条件下,肌肉和骨骼吸收X射线的能力不同,我们可以通过X射线,清楚地看到骨骼和器官。

人体胸部X光照片 来源丨维基百科

因此,假设存在一种射线,连金属中电子跃迁所需的最低能量都无法达到。那么,在这种射线条件下,金属就是透明的。

或者我们也可以尝试把金属打磨到无限薄,薄到其中的电子含量可以忽略不计。在这种情况下,金属吸收的能量非常有限,即便受到可见光的照射,看起来也有可能是透明的。

金箔。金属金具有金属中最优秀的展性,可以被制成极薄的片状。理论上极薄的金珀就能达到透光的效果。

来源丨维基百科

02

有透明的金属吗?

目前有一种材料,兼具透明和导电的特质,常被应用于手机和平板电脑屏幕,这种材料就是ITO,即氧化铟锡

氧化铟锡是一种半导体。半导体中的能带不是连续的,能带和能带之间存在着能量差异。因此,与金属中的电子相比,半导体中的电子需要吸收更多能量才能完成跃迁。

氧化铟锡的带隙宽度(相邻能级之间的间距)是3.75~4.0eV,即氧化铟锡中的电子至少需要3.75eV的能量才能完成跃迁,而可见光的能量是1.6~3.1eV,可见光的能量不足以使氧化铟锡中的电子完成跃迁。氧化铟锡无法吸收可见光,所以氧化铟锡看起来是透明的。

客机风挡上用来防霜的氧化铟锡薄膜导致的薄膜干涉现象 来源丨维基百科

尽管氧化铟锡不能依靠可见光的能量完成跃迁。但是在室温条件下,氧化铟锡中仍有部分电子可以完成跃迁,使氧化铟锡显示出导电的特性。因此,氧化铟锡既是透明的,又可导电。氧化铟锡的发现可说是极大地方便了我们的生活。

材料科学家发现,尽管金属是一种高度不透明的材料,但纳米级别的微结构可能会让金属在某些特定的波段具有较高的透明度。其中,密集排列的金属纳米颗粒阵列有望实现对红外线甚至可见光透明。

相信未来,科学家们还会研制出更多高性能的材料,造福人类。

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