造出長效防霧涂層,室溫下同時(shí)戴眼鏡和口罩再也不起霧

“表面防霧和人類生活息息相關(guān)，很容易引起大家的共鳴。防霧涂層的論文發(fā)表后受到很大關(guān)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(xué)鏡頭、航空航天用視窗、農(nóng)用大棚防霧、太陽能面板防霧處理等，我覺得都可以嘗試起來?！敝锌圃夯瘜W(xué)所研究員邱東表示。

邱東

同樣面對(duì)糟糕天氣，科學(xué)家的反應(yīng)很“學(xué)術(shù)”

防霧涂層

據(jù)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(xué)術(shù)會(huì)議，切身體會(huì)到英國夏天潮濕陰冷環(huán)境下玻璃表面起霧帶來的困擾。那里的夏天氣溫不高，降水多、濕度大。

行車中，他們幾個(gè)人又喜歡在車上聊天，時(shí)間稍長呼出的水蒸汽就會(huì)導(dǎo)致空氣在車窗玻璃內(nèi)側(cè)冷凝起霧，讓視野受到嚴(yán)重影響。而英國的夏天又比較冷，雖然空調(diào)除霧還算有效，但很快就變得溫度過低，這時(shí)不得不關(guān)掉空調(diào)。于是他們開始討論，是否有防霧涂層能夠解決上述問題。

霧本身是生活中常見的現(xiàn)象，或許在詩人眼里看到的是“霧濛濛，風(fēng)淅淅，楊柳帶疏煙，拂面春風(fēng)尚好”的美好。

但在真實(shí)生活里，霧會(huì)帶來不便甚至是危險(xiǎn)。比如，大霧天能見度下降會(huì)導(dǎo)致交通受限，汽車擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)起霧導(dǎo)致司機(jī)視線受阻，冬天從室外進(jìn)入室內(nèi)眼鏡起霧而無法視物等。

同樣，起霧會(huì)讓低光線透過率大幅降，這會(huì)對(duì)依賴光照的生產(chǎn)過程造成干擾。比如溫室大棚的表面起霧后，致使植物光合作用不足；太陽能電池面板起霧后，導(dǎo)致發(fā)電效率降低等；光學(xué)鏡頭起霧后會(huì)影響探測(cè)效果和拍攝效果。

因此，發(fā)展可防止表面起霧的方法和技術(shù)具有重要意義，也是人們長期以來關(guān)注的問題。而在研究之前，只有對(duì)霧的成因進(jìn)行必要的了解，才能對(duì)癥下藥。

霧由特定尺寸的小水珠構(gòu)成，這一尺寸的水珠能強(qiáng)烈地散射可見光，故而產(chǎn)生朦朧的“霧感”。但是，空氣中能容納的氣態(tài)水分子含量是有限的，一旦超過極限，氣態(tài)水分子或可凝聚成液滴。液滴尺寸較小時(shí)，會(huì)懸浮在大氣中形成霧；液滴尺寸較大時(shí)，就會(huì)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(dāng)濕熱空氣接觸低溫物體表面時(shí)，表面附近空氣降溫，氣態(tài)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(yīng)該會(huì)更有體會(huì)。佩戴口罩時(shí)，呼出的濕熱空氣順著口罩內(nèi)側(cè)上升，接觸到溫度相對(duì)較低的眼鏡鏡片時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鏡片起霧視物不清的現(xiàn)象。

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

這時(shí)，升溫是一個(gè)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(shí)間才能起作用。

另一方面，盡管無法避免水分子凝結(jié)，卻能通過控制液態(tài)水在表面上的含量和形態(tài)來防止表面霧化，而防霧涂層正是實(shí)現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵所在。

防霧涂層通常遵循兩個(gè)原理，一是引入疏水結(jié)構(gòu)，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(gè)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(gè)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(duì)于水平放置的表面防霧效果欠佳，同時(shí)需要一定的誘導(dǎo)時(shí)間，以便水滴長大并滾落。這一誘導(dǎo)時(shí)間即使較短，也可能造成嚴(yán)重后果。比如時(shí)速100公里的汽車，即使防霧誘導(dǎo)時(shí)間只有1秒鐘，也對(duì)應(yīng)著約30米的位移，風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)之高。

另一種防霧涂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(yīng)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，因此適用于多種使用場(chǎng)景，且能快速起作用。但由于凝聚的水量持續(xù)增加，水膜厚度增加后會(huì)發(fā)生流動(dòng)，導(dǎo)致圖像失真，就像在水中視物一樣，難以長時(shí)間保持良好的視野。

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

研發(fā)新型高分子互貫穿異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)涂層設(shè)計(jì)

在本次研究中，邱東遵循親水改性涂層的原理，提出一種新型的強(qiáng)界面結(jié)合親水/疏水高分子互貫穿異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)涂層設(shè)計(jì)，克服了高分子涂層增厚帶來的問題，獲得了高效持久的防霧效果，有望用于易成霧環(huán)境下需要保持視野清晰度的場(chǎng)景，比如汽車擋風(fēng)玻璃防霧涂層、防霧鏡片等。

該工作主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和涂層制備方法，既有科學(xué)上的創(chuàng)新，也有技術(shù)上的創(chuàng)新。這對(duì)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。

2022年3月14日，相關(guān)論文以《親水/疏水聚合物異向網(wǎng)絡(luò)高效防霧涂料》為題，發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》上。

在研究的甫一開始，邱東就確立了走親水改性路線。參照文獻(xiàn)記載的方法，該團(tuán)隊(duì)把親水性物質(zhì)接枝到玻璃表面上去，當(dāng)時(shí)是由工程師謝玥進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作。這種方法確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)防霧，但是效果有限，和其他報(bào)道相差無幾。

直到2019年，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展出高分子相互作用“時(shí)域調(diào)控”的策略，即主動(dòng)調(diào)節(jié)相互作用隨時(shí)間變化的規(guī)律，從而涂層在水環(huán)境中的強(qiáng)粘附，這部分工作由徐禮桔博士完成。

之后邱東意識(shí)到，可將相互作用“時(shí)域調(diào)控”策略，在涂層表面上涂覆水凝膠。結(jié)合以前關(guān)于親水涂層防霧的認(rèn)識(shí)，可利用該方法在表面上引入不同厚度的材料，使其產(chǎn)生較強(qiáng)的吸水能力，從而獲得高效且持久的防霧涂層。

為了避免涂層過度溶脹、界面剝離、以及方便與常用透明基底（玻璃或有機(jī)玻璃）結(jié)合，邱東特意設(shè)計(jì)出具有界面反應(yīng)性和界面滲透性的涂覆液，且同時(shí)包含疏水和親水兩種網(wǎng)絡(luò)，以便讓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互相貫穿，從而抑制防霧涂層的溶脹不均勻性。這部分工作大約在2020年正式開始實(shí)施，耗時(shí)一年左右，最終發(fā)展出比較有效的防霧涂層技術(shù)，其中的實(shí)驗(yàn)工作主要由石峻赫同學(xué)完成。

始于一場(chǎng)討論，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，但隨著研究的進(jìn)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涂層，用硅氧偶聯(lián)劑來做粘結(jié)層。一起的牛忠偉教授建議用食人魚洗液處理玻璃表面后再進(jìn)行涂覆，并提供了食人魚洗液的配置方法。

雖然回國后沒有專門立項(xiàng)，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涂層。其中，楊振忠教授把這時(shí)的涂層叫做“royal coating”。

之后的工作斷斷續(xù)續(xù)，配方換了又換，但是初衷沒改，邱東也始終記著還有這么一件有趣的工作沒完成。其表示：“這就是一個(gè)普通的科研故事。略有不同的是持續(xù)時(shí)間比較長，前后經(jīng)歷總共十年時(shí)間，雖然沒有申請(qǐng)立項(xiàng)，但從一開始就想做。嘗試之后沒有太好的思路就先放下再思考，其中也因著其他領(lǐng)域的進(jìn)步受到過啟發(fā)，最后順勢(shì)而為完成了本次科研創(chuàng)新。總的感覺就是，該工作始于一個(gè)有趣的討論，雖然沒有任務(wù)壓力，而且工作前后持續(xù)了10年，但是我挺享受這個(gè)過程?！?/p>

此外，邱東認(rèn)為此次開發(fā)的防霧涂層，其本身對(duì)于多種基體都具有較強(qiáng)的水下粘附力，并且扛得住水溶脹。該團(tuán)隊(duì)也希望能將其進(jìn)一步作為功能粘合劑，從而用于水下特殊環(huán)境下的部件粘結(jié)。

具體來說，他有兩個(gè)后續(xù)計(jì)劃：一方面打算探索防霧涂層的涂覆工藝，按照工業(yè)生產(chǎn)的要求去改進(jìn)配方和操作方法，以推動(dòng)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。目前，他正在尋找防霧材料合適的使用場(chǎng)景。為了避免初期對(duì)人力和財(cái)力投入的過高要求，以及阻礙成果應(yīng)用和推廣，他計(jì)劃先從高附加值的應(yīng)用領(lǐng)域開始做示范。另一方面，他希望在理念上給相互作用“時(shí)域調(diào)控”賦予外延，比如發(fā)展水下粘附材料等新型高分子功能材料，以便實(shí)現(xiàn)更多賦能。