第4节
光致变色玻璃与摄影过程
摄影过程是一个非常有价值的经典光学效应的案例，它完全是一系列复杂缺陷的结果。产生光致变色效应的机制与摄影非常相似，这一概念也以摄影为基础。但两者有两个相当明显的区别：第一，摄影会使材料产生永久性变化，而光致变色的变化是可逆的；第二，摄影可以对各种光产生反应，不仅是可见光，甚至是近红外区域的低能量光。相比之下，常见的光致变色太阳镜只会因太阳光中高能量的紫外线成分而变暗。当没有紫外光时，它们会逐渐恢复到更加透明的状态。
如今摄影似乎已成为一种过时的图像捕捉技术，但它是一个利用缺陷的有趣案例。成像依赖于嵌入明胶基质的卤化银颗粒的表面反应过程。光致变色太阳镜也有类似的过程。下面我将总结摄影成像过程中的缺陷科学。各种杂质和缺陷的作用十分微妙，因此，在这个学科的发展史中，它的机制模型很晚才被开发出来。自19世纪20年代以来，出现了各种各样的摄影技术，但即使是现在，我们仍然没有彻底理解摄影。我们对摄影的理解过程是缓慢的、渐进式的，这个过程十分有趣，因为它与用数码相机拍照的理论和实践发展完全相反。摄影实践先于理论，但对于电子产品，模型总是先于探测器的生产。
照相乳剂包含分散于明胶中的微小三角形卤化银晶体颗粒。彩色胶片也是如此，只不过它还需要几层不同的染料，使乳剂形成不同的感光层。入射光被卤化银颗粒吸收，光的能量（光子能量）被转移至颗粒中的银离子。令人惊讶的是，银离子和相邻卤素离子之间的键能非常小。当一个光能包（即光子）在一个离子格位被吸收时，它足以破坏离子间的化学键。银离子脱离并在短时间内自由移动，直到其能量消散。在一大块材料中，银离子很可能会回到原来的格位，光没有发挥任何作用。然而，我们使用的是非常小的卤化银颗粒，因此银离子可能会来到颗粒表面。部分单独的银离子会被困住，它们似乎成为社交对象，如果在表面遇到其他杂质，它们会在一段时间内与杂质结合。这种结合不会持久，但如果光线充足，其他银离子也有可能从颗粒内部来到表面，形成更加持久的结合，有些银原子也有可能在颗粒表面结合在一起。当两个或三个银离子结合在一起后，它们的“存活率”会提高，当四个银离子构建成一个整体时，它们会变得非常稳定。这个银离子簇是照相机在胶片上产生潜影的基础。将曝光后的胶片取出进行化学处理，以区分被照射的颗粒和未被照射的颗粒，这是化学显色阶段。四个银离子需要紧密排列在同一颗粒中。否则在光线较弱的情况下，即使延长曝光时间也无法形成图像，因为颗粒表面无法形成四个银离子组成的离子簇。
现在看来，最初摄影师使用明胶作为卤化银的乳剂载体，这是一个有趣且幸运的选择，因为明胶在整个摄影过程中发挥着至关重要的作用。明胶由牛蹄等原料制成，但牛生活在牧场中，啃食牧草和野草，如芥菜籽。芥菜籽中含有硫，经过一系列处理，硫会进入牛蹄，并最终进入乳剂中。它停留在卤化银颗粒表面，等待与游离的银离子结合并形成稳定的化合物。如果没有芥菜籽，摄影过程可能无法实现。现代化学家或许从一个不含硫的纯化学支撑层开始，于是整个过程都被忽略了。芥菜籽非常小，但两个世纪以来，它在我们的生活中发挥了巨大的作用，影响了从维多利亚时代到现代的摄影技术，以及过去120多年的电影业发展。
光致变色太阳镜的科学原理
总的来说，玻璃中没有能束缚银离子的局部表面和硫的等效位置。当银离子被释放并四处移动时，它们只会暂时形成较小的银离子簇。这些离子簇不够稳定，在没有紫外光照射的情况下，离子簇分解，能释放银离子，单个离子漂移回到玻璃中原本的位置。离子在玻璃中的运动需要能量，这种能量由热能提供。整个过程对热能非常敏感，因此在寒冷和温暖的环境下，光致变色镜片变暗和恢复速度会出现明显的差异。
玻璃的未来是否明朗？
毫无疑问，玻璃及其应用严重依赖经验主义、经验和实验。它们是各类使用复杂复合材料工业的基石。通过本章列举的案例可以明显看到，通过巧妙应用微量杂质、高浓度添加剂以及各类热处理或表面化学反应，从而使玻璃具备了许多重要的性质。尽管如此，我在许多例子中都提到了熟悉的或相对廉价的产品，一个世纪前人们就已经看到了这些应用。不幸的是，简单且低成本的玻璃材料无法带来高科技的荣誉。从积极的角度来看，玻璃工业依然是现代生活的重要组成部分，仍将不断涌现出新的改进产品。在过去50年里，玻璃技术发生了一场更加颠覆性的变革，它彻底改变了我们的沟通方式。那就是光纤的出现，它的透明度是普通窗玻璃的几百万倍。光纤制造需要解决很多严峻的问题，但所带来的效益是巨大的。整个领域的基础在于控制缺陷与掺杂剂的添加，并将不同类型的玻璃结合在一起。