“表面防雾和人类生活息息相关，很容易引起大家的共鸣。防雾涂层的论文发表后受到很大关注，许多朋友给我来信提出各种建议，包括用于眼镜、特殊光学镜头、航空航天用视窗、农用大棚防雾、太阳能面板防雾处理等，我觉得都可以尝试起来。”中科院化学所研究员邱东表示。
图 | 邱东（来源：邱东）
同样面对糟糕天气，科学家的反应很“学术”
据介绍，该课题由来已久。11 年前的夏天，邱东和同事去英国参加学术会议，切身体会到英国夏天潮湿阴冷环境下玻璃表面起雾带来的困扰。那里的夏天气温不高，降水多、湿度大。
动图 | 防雾涂层（来源：Advanced Science）
行车中，他们几个人又喜欢在车上聊天，时间稍长呼出的水蒸汽就会导致空气在车窗玻璃内侧冷凝起雾，让视野受到严重影响。而英国的夏天又比较冷，虽然空调除雾还算有效，但很快就变得温度过低，这时不得不关掉空调。于是他们开始讨论，是否有防雾涂层能够解决上述问题。
（来源：Advanced Science）
雾本身是生活中常见的现象，或许在诗人眼里看到的是“雾濛濛，风淅淅，杨柳带疏烟，拂面春风尚好”的美好。
但在真实生活里，雾会带来不便甚至是危险。比如，大雾天能见度下降会导致交通受限，汽车挡风玻璃内侧起雾导致司机视线受阻，冬天从室外进入室内眼镜起雾而无法视物等。
同样，起雾会让低光线透过率大幅降，这会对依赖光照的生产过程造成干扰。比如温室大棚的表面起雾后，致使植物光合作用不足；太阳能电池面板起雾后，导致发电效率降低等；光学镜头起雾后会影响探测效果和拍摄效果。
（来源：Advanced Science）
因此，发展可防止表面起雾的方法和技术具有重要意义，也是人们长期以来关注的问题。而在研究之前，只有对雾的成因进行必要的了解，才能对症下药。
雾由特定尺寸的小水珠构成，这一尺寸的水珠能强烈地散射可见光，故而产生朦胧的“雾感”。但是，空气中能容纳的气态水分子含量是有限的，一旦超过极限，气态水分子或可凝聚成液滴。液滴尺寸较小时，会悬浮在大气中形成雾；液滴尺寸较大时，就会在重力作用下滴落形成降水。
物体表面起雾的原理也是如此，当湿热空气接触低温物体表面时，表面附近空气降温，气态水分子的含量超过此温度下空气中所能容纳的极限，因而凝聚在表面上，形成小液滴而表面雾化。
近两年在防疫要求下，戴眼镜的朋友们应该会更有体会。佩戴口罩时，呼出的湿热空气顺着口罩内侧上升，接触到温度相对较低的眼镜镜片时，经常会出现镜片起雾视物不清的现象。
了解起雾的原理后，防雾的基本思路就形成了。起雾的关键是空气中气态水分子含量超过其所能容纳的极限，因此假如可以降低气态水分子的含量，抑或提升此极限，均能有效防止水分子凝结而避免起雾。
这时，升温是一个非常有效的手段，比如具有加热功能的镜面可升温除雾，但是需要额外的装置，也需要消耗能量，并且要累积到一定的处理时间才能起作用。
另一方面，尽管无法避免水分子凝结，却能通过控制液态水在表面上的含量和形态来防止表面雾化，而防雾涂层正是实现这一目的的关键所在。
防雾涂层通常遵循两个原理，一是引入疏水结构，使凝聚的水滴能快速滚离表面，从而避免表面起雾。但是水滴滚离表面有两个条件，一是表面具有一定倾斜度，可以通过重力起作用，另一个是水滴尺寸要足够大，以便获得足够的重力。
因此疏水处理的表面对于水平放置的表面防雾效果欠佳，同时需要一定的诱导时间，以便水滴长大并滚落。这一诱导时间即使较短，也可能造成严重后果。比如时速 100 公里的汽车，即使防雾诱导时间只有 1 秒钟，也对应着约 30 米的位移，风险相当之高。
（来源：Advanced Science）
另一种防雾涂层则采用亲水改性的办法，让凝聚的水滴快速铺展并形成水膜，借此减弱光散射效应从而避免表面起雾。这种方法不需要借助重力，也无需等待液滴长大，因此适用于多种使用场景，且能快速起作用。但由于凝聚的水量持续增加，水膜厚度增加后会发生流动，导致图像失真，就像在水中视物一样，难以长时间保持良好的视野。
从原理上说，采用亲水高分子涂层可以吸收凝聚的水滴，避免形成流动的水膜，有望克服上述缺点。高分子涂层越厚，能吸收的水就越多，就越能长时间维持良好的视野。但是，涂层增厚必然带来涂层均匀性、涂层牢固性等问题，影响涂层的使用寿命。那么，是否有解决办法？
研发新型高分子互贯穿异质网络涂层设计
在本次研究中，邱东遵循亲水改性涂层的原理，提出一种新型的强界面结合亲水/疏水高分子互贯穿异质网络涂层设计，克服了高分子涂层增厚带来的问题，获得了高效持久的防雾效果，有望用于易成雾环境下需要保持视野清晰度的场景，比如汽车挡风玻璃防雾涂层、防雾镜片等。
该工作主要创新点在于涂层结构设计原理和涂层制备方法，既有科学上的创新，也有技术上的创新。审稿人认为这对于需要高透光率的玻璃等透明材料的防雾处理具有重要意义。
3 月 14 日，相关论文以《亲水/疏水聚合物异向网络高效防雾涂料》（Effective Antifogging Coating from Hydrophilic/Hydrophobic Polymer Heteronetwork）为题，发表在Advanced Science上。
图 | 相关论文（来源：Advanced Science）
在研究的甫一开始，邱东就确立了走亲水改性路线。参照文献记载的方法，该团队把亲水性物质接枝到玻璃表面上去，当时是由工程师谢玥进行的实验操作。这种方法确实可以实现防雾，但是效果有限，和其他报道相差无几。
直到 2019 年，该团队发展出高分子相互作用“时域调控”的策略，即主动调节相互作用随时间变化的规律，从而涂层在水环境中的强粘附，这部分工作由徐礼桔博士完成。
之后邱东意识到，可将相互作用“时域调控”策略，在涂层表面上涂覆水凝胶。结合以前关于亲水涂层防雾的认识，可利用该方法在表面上引入不同厚度的材料，使其产生较强的吸水能力，从而获得高效且持久的防雾涂层。
为了避免涂层过度溶胀、界面剥离、以及方便与常用透明基底（玻璃或有机玻璃）结合，邱东特意设计出具有界面反应性和界面渗透性的涂覆液，且同时包含疏水和亲水两种网络，以便让拓扑结构互相贯穿，从而抑制防雾涂层的溶胀不均匀性。这部分工作大约在 2020 年正式开始实施，耗时一年左右，最终发展出比较有效的防雾涂层技术，其中的实验工作主要由石峻赫同学完成。
（来源：Advanced Science）
始于一场讨论，没有任何压力却让研究十分“享受”
尽管该工作虽然没有刻意为之，但随着研究的进展，也就自然而然地成熟了起来。具体来说，在 11 年前的英国之行中，同行的杨振忠教授建议采用亲水涂层，用硅氧偶联剂来做粘结层。一起的牛忠伟教授建议用食人鱼洗液处理玻璃表面后再进行涂覆，并提供了食人鱼洗液的配置方法。
（来源：Advanced Science）
虽然回国后没有专门立项，也没有安排人专门做，但邱东一直没有放弃各种尝试，并在几年前制备出初步涂层。其中，杨振忠教授把这时的涂层叫做“royal coating”。
之后的工作断断续续，配方换了又换，但是初衷没改，邱东也始终记着还有这么一件有趣的工作没完成。其表示：“这就是一个普通的科研故事。略有不同的是持续时间比较长，前后经历总共十年时间，虽然没有申请立项，但从一开始就想做。尝试之后没有太好的思路就先放下再思考，其中也因着其他领域的进步受到过启发，最后顺势而为完成了本次科研创新。总的感觉就是，该工作始于一个有趣的讨论，虽然没有任务压力，而且工作前后持续了十年，但是我挺享受这个过程。”
此外，邱东认为此次开发的防雾涂层，其本身对于多种基体都具有较强的水下粘附力，并且扛得住水溶胀。该团队也希望能将其进一步作为功能粘合剂，从而用于水下特殊环境下的部件粘结。
（来源：Advanced Science）
具体来说，他有两个后续计划：一方面打算探索防雾涂层的涂覆工艺，按照工业生产的要求去改进配方和操作方法，以推动应用转化。目前，他正在寻找防雾材料合适的使用场景。为了避免初期对人力和财力投入的过高要求，以及阻碍成果应用和推广，他计划先从高附加值的应用领域开始做示范。另一方面，他希望在理念上给相互作用“时域调控”赋予外延，比如发展水下粘附材料等新型高分子功能材料，以便实现更多赋能。
-End-
参考：
1、Shi, J., Xu, L., & Qiu, D. (2022). Effective Antifogging Coating from Hydrophilic/Hydrophobic Polymer Heteronetwork.Advanced Science, 2200072.