在日常生活中戴眼鏡出門或者游泳運動時都會被一個問題困擾，那就是起霧，不僅如此，透明顯示器、傳感器等使用到透明基板的表面都會面臨如此。

首先要理解表面凝結是指亞冷基材暴露在較高的環境溫度下，導致汽相飽和，隨后通過成核和生長在表面形成離散的凝結液滴的現象。當這些表面誘導的霧滴長大到足以散射光線時，就會降低透光率。

還需了解一下之前報道解決防霧的方法。有科研工作者報道親水誘導防霧或濕式防霧，是依靠用親水材料對基材進行改性，親水材料與水分子發生強烈的相互作用，從而避免起霧。但是，當凝結的水量超過薄膜的容量時，上面的泛水層會造成大幅度的圖像失真。還有一種超疏水誘導防霧，使其能夠通過重力排斥宏觀上可觀察到的凝結水滴，然而，這些表面可能會在滴狀凝結的早期階段表現出霧化，原因是不能有效去除微觀(亞微米)水滴。

浦項科技大學化學工程系的Dong-Pyo教授提出了一個新的表面設計，在一個平臺上同時表現出超疏水和吸濕性能。這種所謂的濕式超疏水涂層由兩個區域組成：頂部的低表面能微區和底部的聚合物-二氧化硅納米復合區域。頂部的低表面能微柱支撐著Cassie-Baxter狀態的水滴表現出超疏水性，而聚合物-二氧化硅納米復合材料則優先引導水蒸氣凝結到這個底層區域。這些濕式超疏水涂料的超疏水和吸濕性提供了一系列獨特的功能，其中包括通過自清潔和優良的防霧性能有效去除污染物。該成果發表在Advanced Materials（https://doi.org/10.1002/adma.202002710）  

圖1 濕式超疏水防霧涂料的示意圖，該涂料由頂部低表面能微柱區域和底部聚合物-二氧化硅納米復合材料區域組成。

作者為了在一個平臺上實現超疏水和吸濕性能，在聚合物-二氧化硅納米復合材料上轉移了低表面能微球。這使得水分子從氣相優先凝結到納米復合材料中，而表面保持超疏水特性的水滴。如圖1a的示意圖所示，由全氟聚醚(PFPE)組成的低表面能微柱陣列能夠形成氣固復合界面，從而對水滴具有超疏水特性。另一方面，當同一薄膜受到溫差的影響時，疏水性PFPE微柱的高成核能量屏障和這些柱子之間的間距為氣相中的水分子優先凝結到底層聚合物-二氧化硅納米復合材料中提供了途徑，如圖1b所示。因此，由于二氧化硅納米多孔層的存在有利于通過毛細管凝結吸水，而且底層聚合物儲層具有很強的氫鍵能力，因此在凝結過程中，該薄膜能抵抗霧氣的形成，并保持光學上的清晰。

圖2 （a）使用兩步光刻在聚合物-二氧化硅納米復合材料上轉移微柱陣列的示意圖。（b）SEM圖像和EDS氟映射圖像顯示了獨立的PFPE柱陣列在聚合物-二氧化硅納米復合材料上的成功轉移。（c）聚合物-二氧化硅納米復合材料，以及（d）PFPE-微柱組裝的聚合物-二氧化硅納米復合材料的耐磨性試驗后的示意圖和SEM圖像。（e）顯示前進，后退和水的Cassie狀態表觀接觸角與聚合物-二氧化硅納米復合材料上微柱陣列的間隔/直徑值的關系。（f）一張圖，顯示了有無微柱陣列時，裸玻璃和聚合物-二氧化硅納米復合材料上水的前進（黑條）和后退（紅條）接觸角（間隔/直徑值為4.0）。

為了轉移只有低表面能微柱陣列上的聚合物-二氧化硅納米復合材料，作者利用兩步光刻法制備，圖2a為示意圖。首先使用常規光刻技術制備具有微柱特征的光刻膠（SU-8）。使用該母版作為模板可產生具有柱狀陣列相反形狀的聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）微孔。然后，作者將可光固化的PFPE（一種雙功能PFPE-氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯）填充到微孔中，并去除多余的部分。該聚合物前驅物填充的PDMS微孔在犧牲油（硅油）包埋的聚合物-二氧化硅納米復合材料上的附著以及隨后的UV照射光固化導致獨立的PFPE柱陣列成功轉移到聚合物-二氧化硅納米復合材料上，這證明了圖2b中的SEM圖像以及能量色散X射線光譜法（EDS）。為了研究這些微柱陣列的機械耐久性，作者制備了兩種聚合物-二氧化硅納米復合材料，其中只有一種轉移了PFPE微柱；將每個樣品與50 g重的粗砂紙（S3000）摩擦20個循環后，比較表面形態，如圖2c,b所示。可以使用Cassie-Baxter方程描述探空液體在氣固復合界面上的表觀接觸角，其中增加固定有25 µm的微柱直徑的微柱之間的間隔會導致表觀水接觸角的增加（圖2e）。該薄膜與裸玻璃和聚合物-二氧化硅納米復合材料的表面潤濕性比較如圖2f所示清楚地表明，在聚合物-二氧化硅納米復合材料上組裝最佳的PFPE微柱，可將水前進接觸角從9°增大到162°，同時保留了下面的聚合物-二氧化硅納米復合材料，該復合材料在各種霧化條件下均具有吸濕性和防霧性。作者將PFPE微柱組裝的聚合物二氧化硅納米復合材料所展現的這種獨特性能組合稱為“濕式超疏水防霧涂料”。

總而言之，作者提出了一種新的防霧涂料設計，該設計賦予超疏水性，同時抑制了霧的形成。為實現超疏密性而進行的微柱設計的進一步發展將導致為傳感器和顯示器制備光學涂層的新途徑，這些涂層在更加嚴酷的環境挑戰中要求高光學透明性。

曹老師批注：作為文獻精讀系列的第一篇推送，實驗室大師兄李哲做出了一個很好的表率。本篇工作的創新點在于將超疏水柱陣列修飾于超親水基底之上，進而實現了液滴的超疏水狀態以及親水防霧功能，是一篇很有創新性的工作。但，也應指出，此類設計對于高速液滴碰撞會出現不可避免的疏水失效，同時設計制備途徑略顯復雜。總之，李哲所精讀的這篇文獻，具有明顯的創新性，是超浸潤界面組合器件領域的杰出工作！