審核專家：甘強北京理工大學講師，應(yīng)用化學博士

你知道如何制造鏡子嗎？

鏡子的制造原理其實很簡單，就是在透明的玻璃表面鍍一層不透明的金屬膜（現(xiàn)代制鏡通常是鍍銀），使其表面能夠成像。那么，為什么玻璃透明而金屬不透明呢？

簡單來說，玻璃之所以透明是因為它無法吸收可見光，而金屬不透明是因為它吸收了可見光。這個道理聽起來很容易理解，那么，決定物質(zhì)能否吸收可見光的因素是什么呢？

我們通常說的白光通過三棱鏡折射后產(chǎn)生的光譜示意圖來源丨維基百科

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不透明與能量我們不妨從能量的角度來解釋這個問題。

物質(zhì)中的能量不是連續(xù)的，而是“一片一片”的，如同天空中的白云，這一片那一片。這些“一片一片”的能量被稱為能帶。

能帶與能帶之間具有能量差異（即不同能級），有的能帶能級較高，有的能帶能級偏低。就像白云一樣，能帶中也有很多“小水滴”，就是電子，它們總是不甘平凡，想要跨越級別，“跑”到能級更高的能帶上。
但是電子本身的能量不足以支撐這種跨越，所以它們必須從外界吸收能量，以完成能級躍遷。

可見光作為一種電磁波，本身是含有能量的，因此，物質(zhì)中的電子可以借助可見光的能量進行躍遷。不過躍遷能否成功，還要取決于外界能量是否能夠覆蓋兩個能帶之間的能量差異。

假設(shè)兩個能帶之間的最小能量差異為2電子伏（eV），而外界能量恰好等于2eV，電子便可吸收這些能量成功躍遷；但是如果外界能量小于2eV，電子就無法吸收這些能量，也就無法借助這些能量完成躍遷了，這些能量對電子來說是無用的。

金屬中含有大量電子，這些電子分布在一系列準連續(xù)的能級即能帶上，這些能級之間的能量差異較小，電子只需吸收少量的能量便可完成躍遷。

而且，電子僅填滿了部分能帶，于是，能帶的“閑置”部分便為那些躍躍欲試、準備躍遷的電子提供了空間。因此，當可見光照射到金屬表面，其中所含的能量馬上被金屬中的電子吸收，使得金屬看起來不透明。不透明的金屬鐵 來源丨維基百科

不過，金屬的這種不透明，是基于可見光的能量條件（不同波長的電磁波能量也不同）。如果改變這個條件，情況就會發(fā)生變化。

我們知道，可見光是電磁波中波長范圍在400～800nm的部分。除了可見光，電磁波中還有其他為我們所熟知的部分，比如微波爐所使用的微波，其波長范圍是1mm~1m；還有醫(yī)院用來檢查身體的X射線，其波長范圍是0.01～10nm。

在可見光狀態(tài)下，我們的身體是不透明的，我們不能透過皮膚和肌肉看清體內(nèi)的骨骼和器官；但是在X射線條件下，肌肉和骨骼吸收X射線的能力不同，我們可以通過X射線，清楚地看到骨骼和器官。人體胸部X光照片 來源丨維基百科

因此，假設(shè)存在一種射線，連金屬中電子躍遷所需的最低能量都無法達到。那么，在這種射線條件下，金屬就是透明的。

或者我們也可以嘗試把金屬打磨到無限薄，薄到其中的電子含量可以忽略不計。在這種情況下，金屬吸收的能量非常有限，即便受到可見光的照射，看起來也有可能是透明的。金箔。金屬金具有金屬中最優(yōu)秀的展性，可以被制成極薄的片狀。理論上極薄的金珀就能達到透光的效果。來源丨維基百科?2

有透明的金屬嗎？目前有一種材料，兼具透明和導電的特質(zhì)，常被應(yīng)用于手機和平板電腦屏幕，這種材料就是ITO，即氧化銦錫。

氧化銦錫是一種半導體。半導體中的能帶不是連續(xù)的，能帶和能帶之間存在著能量差異。因此，與金屬中的電子相比，半導體中的電子需要吸收更多能量才能完成躍遷。

氧化銦錫的帶隙寬度（相鄰能級之間的間距）是3.75～4.0eV，即氧化銦錫中的電子至少需要3.75eV的能量才能完成躍遷，而可見光的能量是1.6～3.1eV，可見光的能量不足以使氧化銦錫中的電子完成躍遷。氧化銦錫無法吸收可見光，所以氧化銦錫看起來是透明的。客機風擋上用來防霜的氧化銦錫薄膜導致的薄膜干涉現(xiàn)象 來源丨維基百科

盡管氧化銦錫不能依靠可見光的能量完成躍遷。但是在室溫條件下，氧化銦錫中仍有部分電子可以完成躍遷，使氧化銦錫顯示出導電的特性。因此，氧化銦錫既是透明的，又可導電。氧化銦錫的發(fā)現(xiàn)可說是極大地方便了我們的生活。

材料科學家發(fā)現(xiàn)，盡管金屬是一種高度不透明的材料，但納米級別的微結(jié)構(gòu)可能會讓金屬在某些特定的波段具有較高的透明度。其中，密集排列的金屬納米顆粒陣列有望實現(xiàn)對紅外線甚至可見光透明。
相信未來，科學家們還會研制出更多高性能的材料，造福人類。


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