大连理工大学翁志焕教授、蹇锡高院士《自然·通讯》：新型长效防雾涂层

在日常生活中，表面结雾是一种常见现象，尤其在接近或低于大气露点时，水蒸气凝结形成光散射微滴，导致严重的视觉障碍和光学透明度下降，影响从眼镜到太阳能电池板等多种应用，并造成能源效率降低。当前防雾策略主要分为被动和主动两类：被动方法通过表面化学改性控制水滴行为，如疏水或亲水涂层；主动方法则依赖外部能量输入，如热或光，以抑制冷凝。然而，这两种策略均存在根本性局限——疏水表面在纳米级冷凝下失效，亲水涂层则在长期高湿下饱和，且均难以在真实动态环境中保持长效防雾效果。

近日，大连理工大学翁志焕教授、蹇锡高院士提出了一种结合主动与被动策略的长效稳定防雾涂层。该涂层通过引入扭曲非共面结构调控亲水网络的自由体积与氢键，协同光热效应，显著提升了防雾效率。该设计不仅增强了涂层的界面稳定性，还提高了其吸湿能力与持续时间，同时实现了高透明度和对紫外/近红外光的高效吸收，为实际应用中的长效防雾提供了可行方案。相关论文以“Long-lasting and stable anti-fog coating combined with active and passive strategy”为题，发表在

Nature Communications

研究团队以聚乙烯醇（PVA）为骨架，引入含磺酸基的扭曲非共面聚合物链段（如SPPESK），构建了强氢键交联的亲水涂层系统。图1展示了该涂层从设计、合成到氢键系统的验证过程。通过分子动力学模拟，研究人员比较了不同链段结构的氢键强度与内聚能，发现PVA-SPPESK系统具有最短的键长和最高的氢键数量，其扭曲结构有效降低了空间位阻，促进了多重氢键的形成，从而显著提升了涂层的亲水性、附着力与透明度。

图1 | 氢键防雾系统的设计、制备与验证 a PVA-SPPESK-CTB涂层的制备示意图。 b PVA-SPPESK强氢键交联系统的合成示意图。 c 通过分子动力学模拟比较PVA-PAMPs、PVA-SPEEK和PVA-SPPESK氢键交联系统的内聚能与氢键类型及键长。

在防雾机制的深入探索中，图2揭示了PVA-SPPESK涂层在吸湿能力与动力学上的显著优势。其吸湿量提升2.14倍，吸湿速率提高14.39%，且通过自由体积通道实现水分的快速扩散。在85℃水蒸气环境下，该涂层能维持近透明状态长达30分钟，远优于纯PVA及其他对比体系。此外，通过光纤光栅传感器实时监测涂层内部应力变化，发现PVA-SPPESK具有更低的峰值应力和延迟响应，证实其优异的长期防雾能力。分子模拟与正电子湮没寿命谱进一步揭示了其独特的双峰孔结构：大孔由扭曲非共面结构引起，小孔则源自磺酸基与链段间的极性排斥，这种结构协同实现了水分的快速扩散与稳定存储。

图2 | 防雾机制的探索 a, b 涂层吸湿能力与吸湿动力学的比较。 c PVA、PVA-PAMPs、PVA-SPEEK、PVA-SPPESK及PVA-SPPESK-CTB涂层在85℃水蒸气下的平均透光率随时间变化。 d–f 通过光纤光栅测量的体积膨胀信号-应力-应变关系拟合图。 g PVA-PAMPs、PVA-SPEEK和PVA-SPPESK氢键交联系统的分子动力学模拟。 h PVA和PVA-PAMPs涂层因附着力弱导致界面失效、起皱甚至破裂；PVA-SPEEK的刚性结构确保稳固锚定；PVA-SPPESK的扭曲非共面结构通过高吸湿率延长防雾时间。

为进一步提升防雾性能，研究团队将光热效应融入系统。图3展示了涂层的设计与光学特性：PVA-SPPESK与铯钨青铜纳米颗粒结合，实现了92%的可见光透射率，同时吸收93%的紫外光和51%的近红外光。在模拟太阳光照射下，涂层表面温度在3分钟内上升28.5℃，即使在弱光条件下也能有效升温，显著抑制冷凝成核。除雾实验中，涂层在120秒内完全恢复透明，比未处理表面快3.5倍。

图3 | 光热防/除雾涂层的设计与光学性能 a 透明涂层的光热机制：紫外与近红外光被吸收并转化为热能，可见光则保持透射。 b 涂层的透明度测试。 c 涂层的太阳光吸收光谱，填充部分为AM 1.5全球太阳参考光谱。 d 红外热成像监测涂层表面温度变化。 e 各涂层在1太阳辐照下表面温度随时间响应曲线。 f 在0.5至1.0太阳辐照下表面的平均温升。 g 在1太阳光照下的定性图像序列，显示PVA-SPPESK-CTB涂层在120秒内完全除雾。 h 雾分数随时间演变，显示涂层除雾速度快于对照组。 i 本研究与文献报道的光热涂层在可见光透射率与表面温度方面的比较。

涂层的耐久性与实际适用性同样令人瞩目。图4显示，该涂层可通过简单浇铸法制备成大面积薄膜，并适用于柔性基材，即使折叠成复杂形状也不损伤其机械与光学性能。附着力测试、耐磨损实验以及紫外老化测试均表明，涂层在严苛环境下仍能保持稳定性能。在日常湿度条件下，其防雾效果可持续近60天，远超市售产品。

图4 | PVA-SPPESK-CTB涂层的基本性能与长期耐久性 a 在柔性基材上制备的透明选择性光热涂层。 b 弯曲测试显示涂层适用于柔性、可折叠基材。 c 由涂层纸折叠的纸鹤及其红外热图像。 d 附着力测试示意图及各涂层测试后的SEM图像。 e 涂覆与未涂覆玻璃片在水冲洗后的指纹残留情况。 f 在喷砂、擦拭和胶带剥离实验中接触角与透光率的变化。 g 紫外屏蔽性能测试。 h 涂层在紫外辐射过程中的吸收与透光率测试。 i 本研究与报道涂层在90℃蒸汽下的防雾效果对比。 j 本研究与市售防雾涂层在日常湿度下的实际防雾效果对比。

实际场景测试进一步验证了其广泛适用性。图5展示了涂层在眼镜、汽车挡风玻璃和温室薄膜上的应用效果。在冬季室外条件下，涂层镜片在呼气测试中保持清晰，而未涂层镜片则完全结雾。在温室模拟实验中，涂层区域维持90%以上透光率，显著优于未处理区域。

图5 | PVA-SPPESK-CTB涂层的防雾功能与多场景应用 a 从寒冷室外进入温暖室内时眼镜结雾示意图及测试。 b 佩戴口罩时眼镜/护目镜结雾示意图及测试。 c 汽车窗玻璃防雾机制示意图及测试。 d 温室薄膜防雾涂层示意图及在100℃热雾化后的防雾性能图像。

综上所述，本研究通过自由体积工程与氢键优化，成功开发出一种兼具高效吸湿与光热除雾功能的长效防雾涂层。其卓越的透明度、机械强度与环境适应性，为眼镜、车窗、温室乃至医疗器械等领域的防雾需求提供了创新解决方案。未来，研究团队将进一步优化涂层工艺，探索自愈合与智能响应机制，推动该技术从实验室走向产业化应用。

来源：高分子科学前沿

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