引言

    材料表面上的起雾现象非常普遍，给我们的日常生产和生活带来许多不便甚至危险。例如，浴室玻璃，照相机镜头，眼镜，镜子，护目镜和其他显示设备易造成严重影响人们视线的雾。 其原理就在于：当基板表面温度低于或等于环绕衬底的空气温度，空气中的水汽冷凝成小液滴引起光线折射和反射，即形成雾，致使基板的透射率显着减弱。车辆挡风玻璃和后视镜上的雾是频繁发生交通事故的主要原因；而农业大棚内的雾气影响破坏植物代谢，进而作物质量和产量；太阳能电池上的雾将大大降低光伏电池的转换效率；食品包装上的雾不仅使外观看起来更差，而且极易引起水果和蔬菜腐烂；由于雾的存在，腹腔镜相关操作无法顺利进行；沉积在基底上的雾使表面变得潮湿，这会引起一些次要问题，例如食物腐烂恶化，金属材料锈蚀等。因此，解决雾造成的问题将直接或间接地产生巨大经济和社会效益。

    目前，通过改变环境参数（包括材料表面温度，周围相对湿度和气流速度）可一定程度去除材料表面上的雾。例如，汽车的挡风玻璃可以使用外部电压来增加玻璃的表面温度。 然而，其缺点亦显而易见，比如设备复杂、成本高、维护困难，特别是，许多材料本身不导电，所以该方法很难在现实生活中普及应用。

    防雾（AF）材料主要通过以下几个思路来实现：

    让雾很快蒸发；

    减少每单位时间在材料表面产生的雾的数量；

    延长雾的凝结时间；

    避免雾滴在材料表面上凝结。

    总之，AF材料的基本工作原理主要依靠雾滴与固体表面之间的相互作用，通过合理设计表面几何形状和化学成分来实现适当的润湿性。AF材料的发展仍然面临着许多问题，如合理设计不同粗糙度的最优秀材料结构，并开发具有其他功能（耐磨、高透明）的AF材料。幸运的是，经过数百万年的演变，大自然创造并选择了许多近乎完美的结构和材料，以实现许多防雾演绎，其灵感来自于大自然，科学家通过复制天然结构或材料以获得近乎完美的人造AF材料（被称为“仿生AF材料”）。因此，近年来，具有优异耐磨性、柔韧性、透明性和耐用性的生物弹性AF材料成为关注焦点、发展蓬勃。

    吉林大学Shichao Niu等总结了AF材料的最新进展，特别是具有超润湿性的仿生AF材料。在这篇综述中，首先介绍了仿生AF材料的最新进展，表明它们独特的AF特性在很大程度上取决于结构特征和化学成分之间的相关性；接下来介绍润湿性引起的防雾理论，并总结超润湿AF材料（超润湿性是指超亲水性，超疏水性，两性润湿性和亲水性/疏油性），同时也简要解释了各自可能的机理；罗列并总结AF材料常用制备方法，包括几种自上而下和自下而上的方法；提出AF材料在显示设备，交通，太阳能产品，医疗设备，食品包装和农业温室中的当前及潜在应用。

    自然界中的防雾材料

图1. 蚊子复眼

图2. 苍蝇眼睛

图3. 蛾眼睛

图4. 蝴蝶翅膀

    由润湿性演绎的防雾理论

图4. 润湿性防雾理论模型

    防雾材料的制备

    1、光刻

    光刻是通过掩模将光照射在涂覆有光致抗蚀剂的材料表面上，通过化学显影来制造光刻胶图案，其与掩模（正型光刻胶）的图案一致。在过去五十年中，微/纳米光刻技术已经发展到优化集成电路和微芯片的制造，可以精确调节工件的表面形貌，其优点是掩模板易于制备并可重复使用。然而，这种光刻技术需要复杂的成型步骤才能达到所需的图案。因此，这个过程很容易产生一些缺陷。一般来说，用于制备AF材料的光刻技术包括纳米压印光刻和软光刻（原文有介绍，这里不再展开）。通过比较一系列具有不同液固分数（LSF）的纳米毛发和微柱结合的表面（图6），具有纳米毛发的最佳微柱阵列（A-表面）改善了针对AF或抗冰的优异性能。 A-表面-10℃时的结冰延迟时间约为9839s，且凝聚的液滴彼此聚结并轻易地跳出A面，在微风后1020s内，在-5℃时达到90.5％的干燥面积。

图6.具有纳米发丝的微柱阵列表面的制造过程示意图。

    2、蚀刻

    刻蚀技术可用于在基板上创建3D微结构。利用具有覆盖和保护功能的光刻胶膜，通过化学或物理反应去除没有光致抗蚀剂保护的薄膜。在制备AF材料方面，可分为湿法刻蚀和干法刻蚀（原文有介绍，这里不再展开）。

图7. a）平坦和超亲水PUA表面之间的对比；b）草地表面形成的示意图；c）制备示意图；d）结构化表面上的水滴（5mL）的接触角测量值；e）从冰箱取出湿空气的双面结构滑板（左）和平面石英滑板（右）的数码照片。

    3、溶胶 - 凝胶

    溶胶 - 凝胶法是制备纳米粒子和所需材料的湿化学方法，通常在室温下进行，因此，需要进一步的热处理以获得最终的结晶结构。凝胶的特性主要取决于溶胶过程中形成的结构。然而，所使用的原材料价格昂贵，部分为有机有害物，并且制备周期一般较长（几天甚至几周）。

图8. a）AR2PA双层系统的SEM图像，由厚AR层和超薄PA层组成；b）30分钟退火的T60薄膜的AF特性照片，涂层玻璃（下部）没有形成雾；c）不同条件下多孔二氧化硅涂层制备结果示意图；d）SiO2＆TiO2 DSHN薄膜的顶视SEM图像，插图是薄膜表面的放大图像，箭头指向TiO2纳米晶体。

图9. a）石墨烯-TiO 2混合膜制造工艺的示意图；b）（RGO）10-（TiO2）10混合膜和裸玻璃基板上的AF行为。

    4、浸涂

    在浸涂过程中将底物轻轻地浸入含溶液的容器中并从其中抽出（图10a）。该方法具有成本低，操作简单，连续，大面积准备等优点。然而，由于大量溶剂的蒸发，所得膜的厚度通常不均匀；旋涂是在平面基片上形成均匀分布的薄膜，很容易操纵，因此旋涂也可以广泛应用于制造AF表面，但是，它不适合曲面。

图10. a）浸涂工艺原理图；b）旋涂工艺示意图。

图11. a）不同浓度胶体二氧化硅溶液的薄膜厚度和浸渍速度之间的关系；b）SUB和LIS表面的光学图像显示其透明度，插图是SUB和LIS表面接触角分别为150°和96°；c）防粘连表面施工过程示意图；d）PVA-Nafion膜在沸水上方的AF行为（50℃和100％RH）。

图12. a）使用一步SiO2胶体涂覆方法制备AF和AR功能化光阳极到DSSC的示意图；b）无规三聚物聚（DMAEMA-co-NVP-co-MMA）的化学结构，并且基于三元共聚物获得SIPN涂层； c）i-iii）PVP / AMP-粘土复合物和iv-vi）PVP表面；d）通过改变前体溶液中PVP的浓度（重量％），改变PVP / AMP-粘土复合物（黑色）和PVP（红色）膜的AF性质。

    5、层层自组装（LbL）

    LbL组装技术已被证明是用于大面积制备合成薄膜的合理和普通方法，并且可以沉积在非平坦表面上。因此，它在制备抗反射和AF涂层方面具有显着的潜力但薄膜制备需花费更多时间。

图13.原位生成衬底上的PEI / PSS-CSH的多层涂层示意图

    防雾材料的应用

图14. a）带有（MSiO2 / PDDA）3涂层（左）覆盖的一个眼镜的游泳镜的自动对焦行为；b）安全护目镜左侧镜片上20个CHI / CMC涂层双层的照片；c）显示（SSNs）1 /（MSNs）2涂层（右）菲涅耳透镜AF特性的数字图像；d）在雾天气下的汽车照片；e）制造的硅太阳能电池板的照片（1580×808×35毫米）；f）使用太阳能电池覆盖屋顶的日本生态生活型房屋；g）在腹腔镜胆囊切除术期间使用TiO2包被玻璃的AF装置的实际临床应用；h）在5℃储存5天后，菠菜包装的外观。

    结论

    目前，AF材料制备的常用方法包括几种自上而下和自下而上的方法，但过程都很复杂或昂贵，大多数也仅限于实验室研究，难以大规模生产。纳米技术和3D打印的结合也为材料设计提供了新思路，在材料性能优化和材料功能改进方面具有巨大潜力，很可能用于未来一天制备仿生AF材料。

    另外，AF表面的另一个挑战是它在同一表面上的高透明度。表面必须足够粗糙才能模仿真实的生物结构，但粗糙度特征的高维度会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数）。因此，精确调整表面粗糙度和控制衬底材料的折射率对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获取人造表面是未来几年最具前景的科学和技术挑战之一。借助现代分析技术和制造方法，我们能够进一步揭示生物表面的组成，结构和特征与AF行为之间的关系。我们有理由相信，在自然学习和先进工程技术支持的指导下，仿生AF材料将会拥有光明的未来。

    参考文献

    Adv.Mater. 2018, 30, 1704652