造出长效防雾涂层,室温下同时戴眼镜和口罩再也不起雾

“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。

邱东

同样面对糟糕天气，科学家的反应很“学术”

防雾涂层

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。

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。

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。

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。

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。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。

2022年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》为题，发表在《先进科学》上。

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。

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。

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10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。

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。