審核專家：甘強北京理工大學講師，應用化學博士

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，但納米級別的微結構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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