智能調光玻璃的原理究竟是什么

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能液晶調光玻璃的應用越來越多,無論是在建筑還是汽車領域,這種能夠隨心所欲調控透明度的玻璃一直給人一種“黑科技”的感覺,那么它的神秘原理究竟是什么呢?

從結構上看,這種玻璃是將聚合物分散液晶(polymer dispersed liquid crystal,PDLC)封裝在兩層玻璃之間,形成一個夾層。那么為什么在玻璃間封裝了液晶,就這么“智能”了呢?這就需要知道液晶是什么。

液晶即液態晶體,它的性質介于常規液體和固態晶體之間。例如,液晶可以像液體一樣流動,但是其分子又可以像晶體一樣有取向。

因為液晶具有流動的性質,所以只需要施加很小的力就可以使液晶分子運動。液晶分子極易受外加電場的影響而產生感應電荷,利用這個特點,可以給液晶施加一靜電場,讓其產生感應電荷進而產生靜電扭力,使液晶分子定向排列,從而達到特定的光學效果。當撤走施加于液晶的電場時,液晶分子將憑借自身的彈性和黏性,迅速地恢復到原來未加電場時的狀態,所以液晶分子具有響應快的特點。

手機、電腦中常見的液晶顯示屏就用到了液晶的這些性質。兩塊偏振片呈90°放置,中間注入液晶。不給液晶分子通電時,液晶分子呈螺旋狀排列,光沿著液晶分子的間隙扭轉90°,所以能透過上方的偏振片;通電時,液晶分子在電場作用下垂直偏振片,光會順著液晶分子的間隙直線前進,所以光透不過上方的偏振片。

酒店里面的調光霧化玻璃也是利用了液晶在電場下會定向排列的特性。在聚合物分散液晶中,液晶被分散到液體聚合物中,然后將液體聚合物固化。聚合物固化后,液晶與固體聚合物不相容,所以在聚合物中是以小液滴的形式存在。就像下圖中所示的一樣,小液滴內有許多液晶。生產的時候將液晶與液體聚合物的混合物注入兩層玻璃(或塑料)之間,再將其固化,就成了夾層結構。

沒有施加電壓的情況下,液晶是隨機排列的,這時光線照到電控霧化玻璃上會發生散射,就像遇到了磨砂玻璃一樣。外觀上看起來是乳白色的,透光但不透明。當在電極上施加電壓時,兩塊玻璃之間產生的靜電場讓液晶平行排列,使得光線得以透過液晶形成的小液滴而只發生很少的散射。理論上講這種玻璃的透明程度可以通過調節所施加的電壓來控制,低電壓下少量液晶平行排列,只讓少部分光通過。

除了聚合物分散液晶,能達到類似效果的還有懸浮粒子(Suspended-particle devices,SPD)和微型百葉窗(Micro-blinds)。

懸浮粒子的原理和聚合物分散液晶很像:兩片玻璃(或塑料)之間是液體夾層,有棒狀納米顆粒懸浮于夾層的液體中。當不施加電壓時,懸浮粒子會隨機分布,阻擋和吸收光線;施加電壓后,懸浮粒子會定向排列讓光線通過。調節電壓可以調節懸浮粒子的排列方向,從而調節玻璃的透光量。

至于微型百葉窗,則是在透明導電玻璃上沉積一層微米級的卷曲電極。因為微型百葉窗是微米級的,所以肉眼幾乎看不見它。電壓可以控制卷曲電極是卷曲還是展開,從而控制透光量。


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