“表面防霧和人類生活息息相關，很容易引起大家的共鳴。防霧塗層的論文發表後受到很大關注，許多朋友給我來信提出各種建議，包括用于眼鏡、特殊光學鏡頭、航空航天用視窗、農用大棚防霧、太陽能面闆防霧處理等，我覺得都可以嘗試起來。”中科院化學所研究員邱東表示。

圖 | 邱東（來源：邱東）

同樣面對糟糕天氣，科學家的反應很“學術”

據介紹，該課題由來已久。11 年前的夏天，邱東和同事去英國參加學術會議，切身體會到英國夏天潮濕陰冷環境下玻璃表面起霧帶來的困擾。那裡的夏天氣溫不高，降水多、濕度大。

動圖 | 防霧塗層（來源：Advanced Science）

行車中，他們幾個人又喜歡在車上聊天，時間稍長呼出的水蒸汽就會導緻空氣在車窗玻璃内側冷凝起霧，讓視野受到嚴重影響。而英國的夏天又比較冷，雖然空調除霧還算有效，但很快就變得溫度過低，這時不得不關掉空調。于是他們開始讨論，是否有防霧塗層能夠解決上述問題。

（來源：Advanced Science）

霧本身是生活中常見的現象，或許在詩人眼裡看到的是“霧濛濛，風淅淅，楊柳帶疏煙，拂面春風尚好”的美好。

但在真實生活裡，霧會帶來不便甚至是危險。比如，大霧天能見度下降會導緻交通受限，汽車擋風玻璃内側起霧導緻司機視線受阻，冬天從室外進入室内眼鏡起霧而無法視物等。

同樣，起霧會讓低光線透過率大幅降，這會對依賴光照的生産過程造成幹擾。比如溫室大棚的表面起霧後，緻使植物光合作用不足；太陽能電池面闆起霧後，導緻發電效率降低等；光學鏡頭起霧後會影響探測效果和拍攝效果。

（來源：Advanced Science）

因此，發展可防止表面起霧的方法和技術具有重要意義，也是人們長期以來關注的問題。而在研究之前，隻有對霧的成因進行必要的了解，才能對症下藥。

霧由特定尺寸的小水珠構成，這一尺寸的水珠能強烈地散射可見光，故而産生朦胧的“霧感”。但是，空氣中能容納的氣态水分子含量是有限的，一旦超過極限，氣态水分子或可凝聚成液滴。液滴尺寸較小時，會懸浮在大氣中形成霧；液滴尺寸較大時，就會在重力作用下滴落形成降水。

物體表面起霧的原理也是如此，當濕熱空氣接觸低溫物體表面時，表面附近空氣降溫，氣态水分子的含量超過此溫度下空氣中所能容納的極限，因而凝聚在表面上，形成小液滴而表面霧化。

近兩年在防疫要求下，戴眼鏡的朋友們應該會更有體會。佩戴口罩時，呼出的濕熱空氣順着口罩内側上升，接觸到溫度相對較低的眼鏡鏡片時，經常會出現鏡片起霧視物不清的現象。

了解起霧的原理後，防霧的基本思路就形成了。起霧的關鍵是空氣中氣态水分子含量超過其所能容納的極限，因此假如可以降低氣态水分子的含量，抑或提升此極限，均能有效防止水分子凝結而避免起霧。

這時，升溫是一個非常有效的手段，比如具有加熱功能的鏡面可升溫除霧，但是需要額外的裝置，也需要消耗能量，并且要累積到一定的處理時間才能起作用。

另一方面，盡管無法避免水分子凝結，卻能通過控制液态水在表面上的含量和形态來防止表面霧化，而防霧塗層正是實現這一目的的關鍵所在。

防霧塗層通常遵循兩個原理，一是引入疏水結構，使凝聚的水滴能快速滾離表面，從而避免表面起霧。但是水滴滾離表面有兩個條件，一是表面具有一定傾斜度，可以通過重力起作用，另一個是水滴尺寸要足夠大，以便獲得足夠的重力。

因此疏水處理的表面對于水平放置的表面防霧效果欠佳，同時需要一定的誘導時間，以便水滴長大并滾落。這一誘導時間即使較短，也可能造成嚴重後果。比如時速 100 公裡的汽車，即使防霧誘導時間隻有 1 秒鐘，也對應着約 30 米的位移，風險相當之高。

（來源：Advanced Science）

另一種防霧塗層則采用親水改性的辦法，讓凝聚的水滴快速鋪展并形成水膜，借此減弱光散射效應從而避免表面起霧。這種方法不需要借助重力，也無需等待液滴長大，因此适用于多種使用場景，且能快速起作用。但由于凝聚的水量持續增加，水膜厚度增加後會發生流動，導緻圖像失真，就像在水中視物一樣，難以長時間保持良好的視野。

從原理上說，采用親水高分子塗層可以吸收凝聚的水滴，避免形成流動的水膜，有望克服上述缺點。高分子塗層越厚，能吸收的水就越多，就越能長時間維持良好的視野。但是，塗層增厚必然帶來塗層均勻性、塗層牢固性等問題，影響塗層的使用壽命。那麼，是否有解決辦法？

研發新型高分子互貫穿異質網絡塗層設計

在本次研究中，邱東遵循親水改性塗層的原理，提出一種新型的強界面結合親水/疏水高分子互貫穿異質網絡塗層設計，克服了高分子塗層增厚帶來的問題，獲得了高效持久的防霧效果，有望用于易成霧環境下需要保持視野清晰度的場景，比如汽車擋風玻璃防霧塗層、防霧鏡片等。

該工作主要創新點在于塗層結構設計原理和塗層制備方法，既有科學上的創新，也有技術上的創新。審稿人認為這對于需要高透光率的玻璃等透明材料的防霧處理具有重要意義。

3 月 14 日，相關論文以《親水/疏水聚合物異向網絡高效防霧塗料》（Effective Antifogging Coating from Hydrophilic/Hydrophobic Polymer Heteronetwork）為題，發表在 Advanced Science 上。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Science）

在研究的甫一開始，邱東就确立了走親水改性路線。參照文獻記載的方法，該團隊把親水性物質接枝到玻璃表面上去，當時是由工程師謝玥進行的實驗操作。這種方法确實可以實現防霧，但是效果有限，和其他報道相差無幾。

直到 2019 年，該團隊發展出高分子相互作用“時域調控”的策略，即主動調節相互作用随時間變化的規律，從而塗層在水環境中的強粘附，這部分工作由徐禮桔博士完成。

之後邱東意識到，可将相互作用“時域調控”策略，在塗層表面上塗覆水凝膠。結合以前關于親水塗層防霧的認識，可利用該方法在表面上引入不同厚度的材料，使其産生較強的吸水能力，從而獲得高效且持久的防霧塗層。

為了避免塗層過度溶脹、界面剝離、以及方便與常用透明基底（玻璃或有機玻璃）結合，邱東特意設計出具有界面反應性和界面滲透性的塗覆液，且同時包含疏水和親水兩種網絡，以便讓拓撲結構互相貫穿，從而抑制防霧塗層的溶脹不均勻性。這部分工作大約在 2020 年正式開始實施，耗時一年左右，最終發展出比較有效的防霧塗層技術，其中的實驗工作主要由石峻赫同學完成。

（來源：Advanced Science）

始于一場讨論，沒有任何壓力卻讓研究十分“享受”

盡管該工作雖然沒有刻意為之，但随着研究的進展，也就自然而然地成熟了起來。具體來說，在 11 年前的英國之行中，同行的楊振忠教授建議采用親水塗層，用矽氧偶聯劑來做粘結層。一起的牛忠偉教授建議用食人魚洗液處理玻璃表面後再進行塗覆，并提供了食人魚洗液的配置方法。

（來源：Advanced Science）

雖然回國後沒有專門立項，也沒有安排人專門做，但邱東一直沒有放棄各種嘗試，并在幾年前制備出初步塗層。其中，楊振忠教授把這時的塗層叫做“royal coating”。

之後的工作斷斷續續，配方換了又換，但是初衷沒改，邱東也始終記着還有這麼一件有趣的工作沒完成。其表示：“這就是一個普通的科研故事。略有不同的是持續時間比較長，前後經曆總共十年時間，雖然沒有申請立項，但從一開始就想做。嘗試之後沒有太好的思路就先放下再思考，其中也因着其他領域的進步受到過啟發，最後順勢而為完成了本次科研創新。總的感覺就是，該工作始于一個有趣的讨論，雖然沒有任務壓力，而且工作前後持續了十年，但是我挺享受這個過程。”

此外，邱東認為此次開發的防霧塗層，其本身對于多種基體都具有較強的水下粘附力，并且扛得住水溶脹。該團隊也希望能将其進一步作為功能粘合劑，從而用于水下特殊環境下的部件粘結。

（來源：Advanced Science）

具體來說，他有兩個後續計劃：一方面打算探索防霧塗層的塗覆工藝，按照工業生産的要求去改進配方和操作方法，以推動應用轉化。目前，他正在尋找防霧材料合适的使用場景。為了避免初期對人力和财力投入的過高要求，以及阻礙成果應用和推廣，他計劃先從高附加值的應用領域開始做示範。另一方面，他希望在理念上給相互作用“時域調控”賦予外延，比如發展水下粘附材料等新型高分子功能材料，以便實現更多賦能。

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參考：

1、Shi, J., Xu, L., & Qiu, D. (2022). Effective Antifogging Coating from Hydrophilic/Hydrophobic Polymer Heteronetwork. Advanced Science, 2200072.

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