引言

    材料表面上的起霧現(xiàn)象非常普遍，給我們的日常生產(chǎn)和生活帶來許多不便甚至危險。例如，浴室玻璃，照相機鏡頭，眼鏡，鏡子，護目鏡和其他顯示設備易造成嚴重影響人們視線的霧。 其原理就在于：當基板表面溫度低于或等于環(huán)繞襯底的空氣溫度，空氣中的水汽冷凝成小液滴引起光線折射和反射，即形成霧，致使基板的透射率顯著減弱。車輛擋風玻璃和后視鏡上的霧是頻繁發(fā)生交通事故的主要原因；而農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的霧氣影響破壞植物代謝，進而作物質(zhì)量和產(chǎn)量；太陽能電池上的霧將大大降低光伏電池的轉(zhuǎn)換效率；食品包裝上的霧不僅使外觀看起來更差，而且極易引起水果和蔬菜腐爛；由于霧的存在，腹腔鏡相關操作無法順利進行；沉積在基底上的霧使表面變得潮濕，這會引起一些次要問題，例如食物腐爛惡化，金屬材料銹蝕等。因此，解決霧造成的問題將直接或間接地產(chǎn)生巨大經(jīng)濟和社會效益。

    目前，通過改變環(huán)境參數(shù)（包括材料表面溫度，周圍相對濕度和氣流速度）可一定程度去除材料表面上的霧。例如，汽車的擋風玻璃可以使用外部電壓來增加玻璃的表面溫度。 然而，其缺點亦顯而易見，比如設備復雜、成本高、維護困難，特別是，許多材料本身不導電，所以該方法很難在現(xiàn)實生活中普及應用。

    防霧（AF）材料主要通過以下幾個思路來實現(xiàn)：

    讓霧很快蒸發(fā)；

    減少每單位時間在材料表面產(chǎn)生的霧的數(shù)量；

    延長霧的凝結(jié)時間；

    避免霧滴在材料表面上凝結(jié)。

    總之，AF材料的基本工作原理主要依靠霧滴與固體表面之間的相互作用，通過合理設計表面幾何形狀和化學成分來實現(xiàn)適當?shù)臐櫇裥浴F材料的發(fā)展仍然面臨著許多問題，如合理設計不同粗糙度的最優(yōu)秀材料結(jié)構(gòu)，并開發(fā)具有其他功能（耐磨、高透明）的AF材料。幸運的是，經(jīng)過數(shù)百萬年的演變，大自然創(chuàng)造并選擇了許多近乎完美的結(jié)構(gòu)和材料，以實現(xiàn)許多防霧演繹，其靈感來自于大自然，科學家通過復制天然結(jié)構(gòu)或材料以獲得近乎完美的人造AF材料（被稱為“仿生AF材料”）。因此，近年來，具有優(yōu)異耐磨性、柔韌性、透明性和耐用性的生物彈性AF材料成為關注焦點、發(fā)展蓬勃。

    吉林大學Shichao Niu等總結(jié)了AF材料的最新進展，特別是具有超潤濕性的仿生AF材料。在這篇綜述中，首先介紹了仿生AF材料的最新進展，表明它們獨特的AF特性在很大程度上取決于結(jié)構(gòu)特征和化學成分之間的相關性；接下來介紹潤濕性引起的防霧理論，并總結(jié)超潤濕AF材料（超潤濕性是指超親水性，超疏水性，兩性潤濕性和親水性/疏油性），同時也簡要解釋了各自可能的機理；羅列并總結(jié)AF材料常用制備方法，包括幾種自上而下和自下而上的方法；提出AF材料在顯示設備，交通，太陽能產(chǎn)品，醫(yī)療設備，食品包裝和農(nóng)業(yè)溫室中的當前及潛在應用。

    自然界中的防霧材料

圖1. 蚊子復眼

圖2. 蒼蠅眼睛

圖3. 蛾眼睛

圖4. 蝴蝶翅膀

    由潤濕性演繹的防霧理論

圖4. 潤濕性防霧理論模型

    防霧材料的制備

    1、光刻

    光刻是通過掩模將光照射在涂覆有光致抗蝕劑的材料表面上，通過化學顯影來制造光刻膠圖案，其與掩模（正型光刻膠）的圖案一致。在過去五十年中，微/納米光刻技術已經(jīng)發(fā)展到優(yōu)化集成電路和微芯片的制造，可以精確調(diào)節(jié)工件的表面形貌，其優(yōu)點是掩模板易于制備并可重復使用。然而，這種光刻技術需要復雜的成型步驟才能達到所需的圖案。因此，這個過程很容易產(chǎn)生一些缺陷。一般來說，用于制備AF材料的光刻技術包括納米壓印光刻和軟光刻（原文有介紹，這里不再展開）。通過比較一系列具有不同液固分數(shù)（LSF）的納米毛發(fā)和微柱結(jié)合的表面（圖6），具有納米毛發(fā)的最佳微柱陣列（A-表面）改善了針對AF或抗冰的優(yōu)異性能。 A-表面-10℃時的結(jié)冰延遲時間約為9839s，且凝聚的液滴彼此聚結(jié)并輕易地跳出A面，在微風后1020s內(nèi)，在-5℃時達到90.5％的干燥面積。

圖6.具有納米發(fā)絲的微柱陣列表面的制造過程示意圖。

    2、蝕刻

    刻蝕技術可用于在基板上創(chuàng)建3D微結(jié)構(gòu)。利用具有覆蓋和保護功能的光刻膠膜，通過化學或物理反應去除沒有光致抗蝕劑保護的薄膜。在制備AF材料方面，可分為濕法刻蝕和干法刻蝕（原文有介紹，這里不再展開）。

圖7. a）平坦和超親水PUA表面之間的對比；b）草地表面形成的示意圖；c）制備示意圖；d）結(jié)構(gòu)化表面上的水滴（5mL）的接觸角測量值；e）從冰箱取出濕空氣的雙面結(jié)構(gòu)滑板（左）和平面石英滑板（右）的數(shù)碼照片。

    3、溶膠 - 凝膠

    溶膠 - 凝膠法是制備納米粒子和所需材料的濕化學方法，通常在室溫下進行，因此，需要進一步的熱處理以獲得最終的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。凝膠的特性主要取決于溶膠過程中形成的結(jié)構(gòu)。然而，所使用的原材料價格昂貴，部分為有機有害物，并且制備周期一般較長（幾天甚至幾周）。

圖8. a）AR2PA雙層系統(tǒng)的SEM圖像，由厚AR層和超薄PA層組成；b）30分鐘退火的T60薄膜的AF特性照片，涂層玻璃（下部）沒有形成霧；c）不同條件下多孔二氧化硅涂層制備結(jié)果示意圖；d）SiO2＆TiO2 DSHN薄膜的頂視SEM圖像，插圖是薄膜表面的放大圖像，箭頭指向TiO2納米晶體。

圖9. a）石墨烯-TiO 2混合膜制造工藝的示意圖；b）（RGO）10-（TiO2）10混合膜和裸玻璃基板上的AF行為。

    4、浸涂

    在浸涂過程中將底物輕輕地浸入含溶液的容器中并從其中抽出（圖10a）。該方法具有成本低，操作簡單，連續(xù)，大面積準備等優(yōu)點。然而，由于大量溶劑的蒸發(fā)，所得膜的厚度通常不均勻；旋涂是在平面基片上形成均勻分布的薄膜，很容易操縱，因此旋涂也可以廣泛應用于制造AF表面，但是，它不適合曲面。

圖10. a）浸涂工藝原理圖；b）旋涂工藝示意圖。

圖11. a）不同濃度膠體二氧化硅溶液的薄膜厚度和浸漬速度之間的關系；b）SUB和LIS表面的光學圖像顯示其透明度，插圖是SUB和LIS表面接觸角分別為150°和96°；c）防粘連表面施工過程示意圖；d）PVA-Nafion膜在沸水上方的AF行為（50℃和100％RH）。

圖12. a）使用一步SiO2膠體涂覆方法制備AF和AR功能化光陽極到DSSC的示意圖；b）無規(guī)三聚物聚（DMAEMA-co-NVP-co-MMA）的化學結(jié)構(gòu)，并且基于三元共聚物獲得SIPN涂層； c）i-iii）PVP / AMP-粘土復合物和iv-vi）PVP表面；d）通過改變前體溶液中PVP的濃度（重量％），改變PVP / AMP-粘土復合物（黑色）和PVP（紅色）膜的AF性質(zhì)。

    5、層層自組裝（LbL）

    LbL組裝技術已被證明是用于大面積制備合成薄膜的合理和普通方法，并且可以沉積在非平坦表面上。因此，它在制備抗反射和AF涂層方面具有顯著的潛力但薄膜制備需花費更多時間。

圖13.原位生成襯底上的PEI / PSS-CSH的多層涂層示意圖

    防霧材料的應用

圖14. a）帶有（MSiO2 / PDDA）3涂層（左）覆蓋的一個眼鏡的游泳鏡的自動對焦行為；b）安全護目鏡左側(cè)鏡片上20個CHI / CMC涂層雙層的照片；c）顯示（SSNs）1 /（MSNs）2涂層（右）菲涅耳透鏡AF特性的數(shù)字圖像；d）在霧天氣下的汽車照片；e）制造的硅太陽能電池板的照片（1580×808×35毫米）；f）使用太陽能電池覆蓋屋頂?shù)娜毡旧鷳B(tài)生活型房屋；g）在腹腔鏡膽囊切除術期間使用TiO2包被玻璃的AF裝置的實際臨床應用；h）在5℃儲存5天后，菠菜包裝的外觀。

    結(jié)論

    目前，AF材料制備的常用方法包括幾種自上而下和自下而上的方法，但過程都很復雜或昂貴，大多數(shù)也僅限于實驗室研究，難以大規(guī)模生產(chǎn)。納米技術和3D打印的結(jié)合也為材料設計提供了新思路，在材料性能優(yōu)化和材料功能改進方面具有巨大潛力，很可能用于未來一天制備仿生AF材料。

    另外，AF表面的另一個挑戰(zhàn)是它在同一表面上的高透明度。表面必須足夠粗糙才能模仿真實的生物結(jié)構(gòu)，但粗糙度特征的高維度會降低由于光散射引起的光的透射率（表面特征尺寸和材料折射率的函數(shù)）。因此，精確調(diào)整表面粗糙度和控制襯底材料的折射率對于防止光散射和制造具有高透明度的AF表面都很重要。

    采用仿生和生物方法獲取人造表面是未來幾年最具前景的科學和技術挑戰(zhàn)之一。借助現(xiàn)代分析技術和制造方法，我們能夠進一步揭示生物表面的組成，結(jié)構(gòu)和特征與AF行為之間的關系。我們有理由相信，在自然學習和先進工程技術支持的指導下，仿生AF材料將會擁有光明的未來。

    參考文獻

    Adv.Mater. 2018, 30, 1704652