在某些科幻作品中，我們會(huì)看到這樣的設(shè)定：主角戴上特殊眼鏡，眼前的景象瞬間煥然一新，原本空無(wú)一物的空氣中浮現(xiàn)出隱藏在不可見(jiàn)光中的秘密世界。

　　如今，這種想象正被中國(guó)科學(xué)家變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)——中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心薛天/馬玉乾團(tuán)隊(duì)，工程科學(xué)學(xué)院龔興龍/王勝團(tuán)隊(duì)，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張凡團(tuán)隊(duì)，以及國(guó)際科研機(jī)構(gòu)合作，開(kāi)發(fā)出了一款特殊的隱形眼鏡，可將近紅外光轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，從而使得人眼間接地感知紅外線。

　　紅外線及其傳統(tǒng)感知方法

　　眼睛是人類獲取外界信息的重要器官，通過(guò)接收光線來(lái)認(rèn)知世界的形貌。本質(zhì)上，光線是一種電磁波，而電磁波在我們的日常生活中無(wú)處不在：太陽(yáng)光、微波爐中加熱食物的微波、WIFI信號(hào)都是電磁波的不同表現(xiàn)形式。這些電磁波最主要的區(qū)別特征就是它們的波長(zhǎng)差異。

　　然而在自然界豐富多樣的光線中，只有特定波長(zhǎng)范圍的光才能被人眼所感知。人眼能夠感知波長(zhǎng)在400-700納米之間的電磁波，處在這一范圍的電磁波稱為可見(jiàn)光。并且，不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光會(huì)被人眼識(shí)別為不同顏色。

　　而超出這個(gè)范圍，波長(zhǎng)在700-2500納米的電磁波雖然無(wú)法被人眼感知，但它卻大有用處——這就是紅外線。自然界的所有物體都在向外發(fā)出這個(gè)波段的電磁波，其具體波長(zhǎng)與物體溫度密切相關(guān)。正是基于這一特性，我們可以借助儀器“看見(jiàn)”紅外線呈現(xiàn)的世界。例如在漆黑的夜晚，沒(méi)有可見(jiàn)光，但周圍景物依然會(huì)發(fā)出紅外線，紅外夜視儀正是通過(guò)探測(cè)這些紅外線，具備了夜間觀察的功能。

　　

 

　　電磁波和可見(jiàn)光波譜

　　(圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng))

　　感知紅外線的關(guān)鍵：巧妙利用上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象

　　要想了解可以“看見(jiàn)”紅外線的隱形眼鏡原理，首先需要知道電磁波是什么?電磁波可以看作是由光子組成，其波長(zhǎng)越短，對(duì)應(yīng)的光子能量也就越高。紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光要長(zhǎng)，紅外線的光子能量比可見(jiàn)光的光子能量要低。這種能量差異催生了兩種截然不同的光學(xué)現(xiàn)象：熒光現(xiàn)象和上轉(zhuǎn)換發(fā)光。

　　無(wú)論是自然界還是生活中，熒光現(xiàn)象都十分普遍，例如發(fā)光的水母、熒光筆等。究其本質(zhì)，其實(shí)是這些物質(zhì)吸收了高能量的光，釋放出低能量的光。與之相反，上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象則是將低能量的長(zhǎng)波輻射轉(zhuǎn)化為高能量的短波發(fā)光，這一過(guò)程就能把“不可見(jiàn)的光線”魔術(shù)般地變成“可見(jiàn)的色彩”。

　　研究團(tuán)隊(duì)巧妙利用這一原理，在設(shè)計(jì)隱形眼鏡時(shí)添加了上轉(zhuǎn)換納米顆粒，使得低能量紅外線光子搖身一變，成為能量更高的可見(jiàn)光光子。

　　具體而言，這些摻雜了稀土元素的納米顆粒，能夠連續(xù)吸收兩個(gè)或多個(gè)紅外線光子，再釋放出一個(gè)可見(jiàn)光子。把能量比喻為水，光子比喻為接水的桶，上轉(zhuǎn)換過(guò)程相當(dāng)于用一個(gè)大桶(可見(jiàn)光子)，接了兩個(gè)或者更多小桶(紅外光子)的水，最終把小桶中的水融合在了一起。這一過(guò)程無(wú)需提供額外的能量，并且納米顆粒能夠很好地融合在制作隱形眼睛的材料中。

　　

 

　　可紅外夜視的隱形眼鏡原理，將不同波長(zhǎng)的紅外線轉(zhuǎn)換為不同顏色的可見(jiàn)光，可見(jiàn)光被人眼感知，人眼間接有了感知紅外線的能力

　　(圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1])

　　上轉(zhuǎn)換發(fā)光技術(shù)的多樣應(yīng)用：醫(yī)療革新與防偽升級(jí)

　　除了賦予人眼近紅外視覺(jué)能力，上轉(zhuǎn)換效應(yīng)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用潛能也非常大。

　　一是醫(yī)療領(lǐng)域。光動(dòng)力治療是一種基于光敏藥物的治療方法：藥物在特定波長(zhǎng)的光照射下，會(huì)產(chǎn)生活性氧，從而誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。光敏藥物一般需要可見(jiàn)光或者能量更高的紫外光。然而，在治療體內(nèi)腫瘤時(shí)，這兩種光對(duì)人體的穿透能力比較弱。更關(guān)鍵的是，紫外光還會(huì)對(duì)正常的細(xì)胞造成傷害。

　　在這種情況下，上轉(zhuǎn)換納米粒子提供了理想的解決方案：光敏藥物結(jié)合上轉(zhuǎn)換粒子，激發(fā)光源就可以使用紅外光，紅外光穿透能力比較強(qiáng)，而且不對(duì)人體本身的細(xì)胞造成傷害。上轉(zhuǎn)換材料在吸收紅外光后轉(zhuǎn)換出可見(jiàn)光，再激發(fā)光敏藥物，最終殺死腫瘤細(xì)胞。這種方法不僅能夠精確控制光敏藥物的激活位置，還顯著提升了治療效果。

　　二是防偽技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)前，人們使用手機(jī)支付的頻率大大提高，收到假鈔的風(fēng)險(xiǎn)也隨之降低，曾經(jīng)使用紫外燈照射紙鈔驗(yàn)證真假的場(chǎng)景也變得少見(jiàn)了。然而，商品的仿制和偽造現(xiàn)象依然存在。當(dāng)今世界，假冒商品的貿(mào)易收入是有組織犯罪收入的第二大來(lái)源。

　　傳統(tǒng)防偽技術(shù)中使用的熒光油墨在紫外光的照射下會(huì)立即發(fā)出可見(jiàn)光，但這一技術(shù)早已被破解，逐漸失效。相比之下，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不僅可以調(diào)配發(fā)光的顏色，還能設(shè)置特定的激發(fā)光源，仿制難度極大，因此常被用于高端藥品包裝、奢侈品標(biāo)簽等領(lǐng)域。

　　這項(xiàng)突破性的“光譜視覺(jué)增強(qiáng)器”技術(shù)，不僅讓科幻中的“夜視隱形眼鏡”成為現(xiàn)實(shí)，更為人類打開(kāi)了感知世界的新維度。從科幻到現(xiàn)實(shí)，科技的每一次飛躍都在重塑人類的認(rèn)知邊界。戴上這副特殊的隱形眼鏡，我們看到的不僅是紅外光，更是科學(xué)與想象碰撞出的無(wú)限可能。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]陳寶玖, et al. 用于防偽標(biāo)簽的發(fā)光材料研究進(jìn)展 (特邀).ACTA PHOTONICA SINICA51.8 (2022): 0851504-0851504.

　　[2]花景田, et al. 稀土摻雜材料的上轉(zhuǎn)換發(fā)光.中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)3.4 (2010): 301-309.

　　[3]鄭曉鵬, 田甘, and 谷戰(zhàn)軍. 熒光上轉(zhuǎn)換納米材料在光動(dòng)力學(xué)治療癌癥中的應(yīng)用.中國(guó)腫瘤臨床41.1 (2020): 27-31.

　　[4]Ma, Yuqian, et al. Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses.Cell(2025).

　　出品：科普中國(guó)

　　作者：海里的咸魚(yú)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)

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