造出長效防霧涂層室溫下同時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所研究員邱東表示。

同樣面對糟糕天氣，科學家的反應(yīng)很“學術(shù)”

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術(shù)會議，切身體會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， 他們幾個人又喜歡在車上聊天，時間稍長呼出的水蒸汽就會導致空氣在車窗玻璃內(nèi)側(cè)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(diào)除霧還算有效，但很快就變得溫度過低，這時不得不關(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，風淅淅，楊柳帶疏煙，拂面春風尚好”的美好。

但在真實生活里，霧會帶來不便甚至是危險。比如，大霧天能見度下降會導致交通受限，汽車擋風玻璃內(nèi)側(cè)起霧導致司機視線受阻，冬天從室外進入室內(nèi)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，導致發(fā)電效率降低等;光學鏡頭起霧后會影響探測效果和拍攝效果。

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，只有對霧的成因進行必要的了解，才能對癥下藥。

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， 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)該會更有體會。佩戴口罩時，呼出的濕熱空氣順著口罩內(nèi)側(cè)上升，接觸到溫度相對較低的眼鏡鏡片時，經(jīng)常會出現(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， 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(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，而防霧涂層正是實現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵所在。

防霧涂層通常遵循兩個原理，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，也可能造成嚴重后果。比如時速100公里的汽車，即使防霧誘導時間只有1秒鐘，也對應(yīng)著約3 0米的位移， 風險相當之高。

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，水膜厚度增加后會發(fā)生流動， 導致圖像失真，就像在水中視物一樣，難以長時間保持良好的視野。C288FBDB-A880-43D5-89C0-BB6F8A411C0F

從原理上說，采用親水高分子涂層可以吸收凝聚的水滴，避免形成流動的水膜，有望克服上述缺點。高分子涂層越厚，能吸收的水就越多，就越能長時間維持良好的視野。但是，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

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，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景，比如汽車擋風玻璃防霧涂層、防霧鏡片等。

該工作主要創(chuàng)新點在于涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和涂層制備方法，既有科學上的創(chuàng)新，也有技術(shù)上的創(chuàng)新。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。

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《先進科學》上。

在研究的甫一開始，邱東就確立了走親水改性路線。參照文獻記載的方法，該團隊把親水性物質(zhì)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。這種方法確實可以實現(xiàn)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(fā)展出高分子相互作用“時域調(diào)控”的策略，即主動調(diào)節(jié)相互作用隨時間變化的規(guī)律，從而涂層在水環(huán)境中的強粘附，這部分工作由徐禮桔博士完成。

之后邱東意識到，可將相互作用“時域調(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識，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（玻璃或有機玻璃）結(jié)合，邱東特意設(shè)計出具有界面反應(yīng)性和界面滲透性的涂覆液，且同時包含疏水和親水兩種網(wǎng)絡(luò)，以便讓拓撲結(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2 0 2 0年正式開始實施， 耗時一年左右，最終發(fā)展出比較有效的防霧涂層技術(shù)，其中的實驗工作主要由石峻赫同學完成。

始于一場討論，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，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，楊振忠教授把這時的涂層叫做“royalcoating”。

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：“這就是一個普通的科研故事。略有不同的是持續(xù)時間比較長，前后經(jīng)歷總共十年時間，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)域的進步受到過啟發(fā)，最后順勢而為完成了本次科研創(chuàng)新?？偟母杏X就是， 該工作始于一個有趣的討論，雖然沒有任務(wù)壓力，而且工作前后持續(xù)了10年，但是我挺享受這個過程?！?/p>

此外，邱東認為此次開發(fā)的防霧涂層，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。該團隊也希望能將其進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， 他有兩個后續(xù)計劃：一方面打算探索防霧涂層的涂覆工藝，按照工業(yè)生產(chǎn)的要求去改進配方和操作方法，以推動應(yīng)用轉(zhuǎn)化。目前，他正在尋找防霧材料合適的使用場景。為了避免初期對人力和財力投入的過高要求，以及阻礙成果應(yīng)用和推廣，他計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，以便實現(xiàn)更多賦能。C288FBDB-A880-43D5-89C0-BB6F8A411C0F