微图案化水凝胶，登上Nature子刊，在极端冷凝与沸腾条件下保持透明

视觉是人类获取外界信息的重要途径，论文指出视觉约占全部人类感知的70%，因此透明材料一旦雾化，会严重影响能源、安全、卫生和日常生活。雾化源于冷表面或水汽压升高时微观水滴在透明表面冷凝并散射入射光，冷凝水越多，透明性下降越明显，严重时只剩半透明。传统被动防雾思路包括亲水涂层、疏水/超疏水涂层、跳滴冷凝和光热除雾等，但亲水涂层易受颗粒污染而失去亲水性并产生干斑，超疏水跳滴在过饱和“泛滥”条件下失效，光热方案依赖阳光且在严重冷凝条件下功能受限。因此，如何在极端冷凝条件下实现耐久、被动、可持续的高透明防雾，仍是亟待解决的挑战。

苏黎世联邦理工学院Dimos Poulikakos教授、Thomas M. Schutzius教授合作，提出的概要性方案不依赖传统化学涂层或纳米形貌，而是用光学和润湿理论指导，对本征亲水的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶进行理性微图案化，并利用扩散模型计算水膜形成的相关时间尺度，构建具有芯吸能力的表面结构，从而在过饱和条件下维持长期可持续的膜状冷凝。研究通过定量光学清晰度测量和可视化证明，该材料明显优于现有防雾方案，即使在沸腾环境中也能保持高光学清晰度；其制备简便、性能优越，可作为极端冷凝下维持透明度的候选材料。相关论文以“Rationally micropatterned antifogging hydrogels counteracting extreme condensation”为题，发表在Nature Communications上。

在表面设计上，研究首先考虑人眼角分辨率约为1角分（图1a），在200 mm典型观察距离下可辨空间分辨率约58 μm，因此选用直径30 μm的微柱，使其对肉眼“不可见”。为抑制高冷凝通量下大液滴的光散射，研究将与单个雾滴体积分布（10⁻¹⁴—10⁻¹³ m³）相当的单元胞体积设为约10⁻¹⁴ m³（图1c），并采用高度和间距均为30 μm的圆柱微柱阵列（图1b），以几何约束限制冷凝液滴的最大直径，超过该尺寸的液滴会迅速并入连续水膜。毛细力方面，1—100 μm特征尺寸对应的Bond数仅为10⁻⁷—10⁻³，重力相对于毛细力可忽略；粗糙度因子1.91、顶部固液面积分数0.23给出临界接触角63°，而干态平面PEGDA实测接触角为54±1°，满足半芯吸条件。动态上，最极端实验冷凝通量为11 mm³ s⁻¹，而微图案化水凝胶的芯吸速率为13.5 mm³ s⁻¹，足以在高来流下快速铺展冷凝液（图1d）。扫描电镜图像显示，六角阵列微柱直径、间距和高度均为30 μm，柱面均匀、边缘光滑、缺陷很少（图1e、图1f）。上述微图案化水凝胶表面的设计依据与形貌见图1。

图1：微图案化水凝胶表面的设计。A 人眼空间分辨率示意图，由角分辨率乘以典型环境条件下的观察距离计算。B 微柱阵列示意图，显示柱直径、间距、高度和单元空隙体积。C 单元体积随特征尺寸变化的图；特征尺寸指微柱阵列的高度、间距和直径；单元胞体积设计为与单元雾体积相当。D 在高来流水通量下微结构具有高芯吸速度以分散冷凝液的示意图。E、F 微图案化PEGDA水凝胶表面，六角阵列柱的直径、间距和高度为30 μm；柱表面均匀明确，边缘光滑，缺陷或不规则极少。比例尺：E为200 μm，F为50 μm。

冷凝实验与光学清晰度评估显示，研究搭建了带光学靶标的定制清晰度测量系统（图2a）：水浴加热至97 ℃，涂覆样品窗口倾斜45°以便重力排液，黑白棋盘格靶标距窗口10 mm，腔体主要由低导热聚醚醚酮构成，使热量主要经窗口散失，相机透过样品拍摄棋盘格畸变。平面水凝胶初始光学清晰度相关系数r为0.98，高于1、30、81 μm微柱样品的0.96、0.92、0.90，这是因为微结构本身带来少量光散射（图2b、图2c）；但在沸腾条件下，平面样品表面迅速形成水滴，r急剧下降，虽偶有液滴滑落造成短暂清晰，但很快再次恶化。1 μm高样品因柱高不足以阻止柱间膜上液滴形成，透明性有限，2 min后因液滴滑落而恢复；30 μm和81 μm样品则在冷凝液填充粗糙结构前先出现r下降，随后因微柱周围形成连续水膜而回升，并在稳态保持较高r。间距实验表明6 μm和20 μm可稳定，50 μm和90 μm会因表面液滴形成而下降；归一化对比度进一步显示30 μm样品优于81 μm样品，后者因水凝胶和水层更厚且残留气泡而对比度更低（图2d），因此后续采用柱高30 μm、间距30 μm的几何结构。

图2：对透明水凝胶进行微工程化以获得超芯吸性能，并在97 ℃液体温度下进行冷凝测试。A 用于在水凝胶上诱导冷凝并进行光学清晰度评估的实验装置示意图。B 图像序列展示在涉及平面和图案化样品的实验中微结构对光学清晰度和畸变的影响。

微观层面的冷凝行为与润湿性质进一步解释了上述现象。显微序列显示（图3a），初期水汽被聚合物基体吸收，水凝胶纳米孔内发生毛细凝结并溶胀，延迟表面冷凝；水凝胶充分水合后，表面液滴开始生长，相邻微柱上的液滴合并形成液桥，液桥继续生长并通过微芯吸填充柱间空腔，最终形成连续水层。此后新增冷凝液或在水层上发生，或在液—液界面因有利的Laplace压力梯度轻易并入水层，从而维持薄膜状冷凝。研究据此区分吸收、毛细和泛滥三种状态（图3b）：吸收态液滴为纳米级、与可见光波长相当，保持透明；毛细态出现显微可见的微米液滴并按其曲率折射光；泛滥态中微柱周围完全被冷凝液填充并形成连续水层，新增冷凝液瞬时铺展而不形成球状液滴，因而透明度高。湿态下微图案化水凝胶接触角为0°，水滴立即铺展（图3c）；直径0.7 mm的大液滴连续滴在湿表面时，即使仅倾斜5°，多余冷凝液也可被重力移除。

图3：水凝胶微柱阵列上的微观冷凝行为及其在冷凝条件下的润湿性质。A 光学显微图像序列捕捉微图案化水凝胶表面的动态冷凝行为。B 微图案化水凝胶上观察到三种不同冷凝行为状态的示意图，包括吸收、毛细和泛滥。C 湿态下水滴在微图案化水凝胶上的润湿行为（接触角为0°），液滴立即在水凝胶表面铺展（另见补充影片2）。比例尺：A为100 μm，C为300 μm。

光学表征进一步量化了雾化对可见光谱透射率的影响。研究用紫外—可见—近红外光谱测量总透射率和漫透射率（图4a），并以漫透射率与总透射率之比计算雾度；示意图展示了平面聚酯基材（对照）表面雾化形成及其对光透射的负面影响（图4b），以及微图案化水凝胶如何应对该问题（图4c）。对照组基材在重雾下立即形成微小液滴并大量散射入射光，雾度从3.8%升至75%；微图案化水凝胶在雾化时形成光滑薄膜冷凝，光散射最小，湿态雾度仅从19.4%变为18.5%（图4d）。在可见范围内，对照和微图案化水凝胶干态与湿态的总透射率均约为90%，但对照湿态大部分透射光被扩散，而微图案化水凝胶干湿两态均保持低雾度。距离实验还显示，微图案化水凝胶与光学靶标距离增加会因微结构散射使清晰度逐渐下降，但湿态水凝胶在多种距离下仍明显优于干态水凝胶；动态光谱测量中，可见范围平均直接透射率在冷凝液形成的毛细阶段先下降、后回升（图4e），图4f则比较了实验与计算的冷凝液填充时间随蒸汽温度的变化，其插图给出了微柱阵列尺寸为30 μm（直径、间距和高度）时的理论计算示意。

图4：微图案化水凝胶在干燥与雾化条件下的静态和动态光学特性，以及微柱阵列冷凝液填充时间的计算。A 入射光在测试样品上行为的示意图。示意图展示（B）平面聚酯基材（对照）表面雾化的形成及其对光透射的负面影响，以及（C）如何通过微图案化水凝胶加以解决。D 微图案化水凝胶和对照样品在干燥（干态）与冷凝（湿态）环境中的雾度H随波长变化的图。E 平均直接透射率τdirect,avg随时间变化的图。F 微图案化水凝胶的实验与计算冷凝液填充时间tf随蒸汽温度Tv变化的图；F的插图为理论计算示意图，微柱阵列尺寸设为30 μm（直径、间距和高度）。

沸腾水蒸气环境下不同表面的光学清晰度对比显示，测试对象包括30 μm微图案化水凝胶、超亲水表面（表面活性剂）、市售超疏水处理（Glaco）和无涂层玻璃（图5a—图5d）。图像序列显示，微图案化水凝胶在初始短暂雾化后迅速恢复并保持棋盘格清晰；超亲水表面清晰度波动且出现明显畸变；超疏水表面逐渐恶化并出现亮点状液滴；无涂层玻璃则持续模糊。对应曲线表明（图5e），在97 ℃液体温度、10 min时间框架内，微图案化水凝胶的平均光学清晰度分别是超亲水、超疏水和玻璃表面的1.2倍、8.4倍和2.8倍。结合60 ℃、83 ℃和97 ℃下的平均清晰度结果（图5f），微图案化水凝胶在测试表面中保持最高的稳态光学清晰度，而传统防雾涂层已知存在持续时间短、粘附差等问题。

图5：微图案化水凝胶在沸腾条件下保持光学清晰度。图像序列量化玻璃窗涂覆以下样品并暴露于沸水蒸气时的光学清晰度：A 微柱阵列尺寸为30 μm（直径、间距和高度）的微图案化水凝胶；B 超亲水表面（表面活性剂）；C 市售超疏水处理（Glaco）；D 无涂层（玻璃）。E 面板A—D中各样品光学清晰度相关性的对应曲线。

实际应用演示中，研究将微图案化水凝胶涂覆到商用锅盖的曲面窗口上（图6a），软水凝胶的柔性使其易于在曲面聚合物基材上成形（图6b）；锅盖轻微曲率小于20°，有助于重力将冷凝水导向表面边缘（图6c）。实验中在锅内煮水和蔬菜，模拟真实烹饪环境。盖上锅盖后，由于锅盖初始为室温，所有区域在数秒内立即雾化；随着锅盖被冷凝水加热，冷凝驱动力下降并达到稳态，微图案化水凝胶的光学清晰度在30 s内完全恢复，并在烹饪条件下保持透明，而未涂覆区域仍雾化、半透明（图6d）。水凝胶与基材的牢固粘附（测得粘附能70 N m⁻¹）使其在长时间沸水和重冷凝暴露下仍保持高光学清晰度。

图6：微图案化水凝胶应用于商用锅盖曲面。A 真实沸腾条件下冷凝测试示意图。B 展示微图案化水凝胶涂层在聚合物基材上的柔性。C 我们所研究的曲面微图案化水凝胶表面示意图。D 图像序列展示在煮蔬菜时微图案化水凝胶与原始锅盖表面相比的性能。

该防雾策略针对现有技术常失效的极端冷凝场景，依靠亲水水凝胶与理性设计微结构所赋予的毛细作用协同，并叠加水凝胶本征纳米结构；实验研究了过饱和下保持光学清晰度的行为，并基于扩散驱动模型从理论上计算了毛细驱动连续水层形成的时间尺度。该材料明显优于现有技术，并在商用锅盖真实沸腾条件下成功演示。研究认为，这一方法及易制备材料将为需要在重冷凝和雾化环境中保持光学透明的广泛应用提供重要解决方案。