基于自由体积调控与光热协同效应的长效稳定防雾涂层研究

本研究针对传统防雾涂层在界面强度、循环干燥和污染物影响下难以长期稳定维持均匀水膜的问题，设计了一种结合主动（光热）与被动（吸湿）策略的防雾涂层。通过引入扭曲非共面结构（1(2H)-phthalazinone）调控亲水网络的自由体积和氢键，显著提升了涂层的界面稳定性和吸湿能力，同时利用铯钨青铜（CTB）纳米颗粒实现紫外/近红外光吸收并保持高可见光透明度。该涂层在多种实际场景（眼镜、汽车玻璃、温室等）中展现出长效防雾性能，为可持续防雾材料设计提供了新思路。

　　

表面起雾是当环境温度接近或低于露点时，水蒸气冷凝形成光散射微滴的现象。这不仅导致从眼镜到太阳能电池板等应用中的视觉障碍和光学透明度损失，还造成温室和光伏模块等需要清晰光学界面的系统能效低下。当前防雾策略主要分为被动和主动两类：被动方法通过疏水或亲水涂层控制水滴行为，但疏水表面在初始冷凝阶段会积累雾气，而亲水涂层则存在吸湿膨胀导致透明度下降、干湿循环中机械不稳定性导致皱褶和界面失效等问题。两种策略均难以在动态真实环境中实现长效防雾。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，Cijian Zhang等人提出了一种结合主动与被动策略的防雾涂层，通过分子自由体积工程和光热协同效应，实现了长效稳定的防雾性能。该涂层以聚乙烯醇（PVA）和磺化扭曲非共面聚合物（SPPESK）形成强氢键交联网络，并引入铯钨青铜（CTB）纳米颗粒实现选择性紫外/近红外光吸收。

研究主要采用了以下关键技术方法：1）分子动力学模拟分析氢键类型、键长和自由体积分布；2）光纤布拉格光栅（FBG）传感器实时监测涂层内部应力应变；3）正电子湮灭寿命谱（PALS）表征自由体积孔径分布；4）太阳能模拟器与红外热成像评价光热性能；5）多种实际场景（眼镜、汽车挡风玻璃、温室薄膜）验证防雾效果。

抗雾涂层设计基于氢键

通过将含磺酸基（-SO₃H）的分段聚合物链与PVA的羟基（-OH）交联，构建了强氢键网络。分子动力学模拟显示PVA-SPPESK系统具有最短的键长和最高的氢键数量，扭曲非共面结构减少了空间位阻，使氢原子更接近负电荷中心，增强了静电吸引和电荷互补性。

防雾机制的探索

PVA-SPPESK的吸湿能力提升2.14倍，动力学增强14.39%。在85℃水蒸气测试中，PVA-SPPESK在25μm厚度下保持近透明达30分钟，冷雾测试（ΔT=30°C，RH=95%）10次循环后透光率仍＞90%。FBG传感器监测显示其峰值应力更低且响应延迟，证实了长期防雾能力。

自由体积分析显示PVA-SPPESK具有双峰孔径分布（4.48?/2.00?），小孔通过增强氢键捕获水分子，磺酸基介导质子跳跃传输，大孔提供水分子扩散通道，形成自维持循环。界面相互作用能模拟表明-SO₃H/-OH与水分子间的库仑力和范德华力最大化，抑制离散水滴成核，促进连续超薄水层形成。

光热防雾/除雾行为评价

PVA-SPPESK-CTB涂层实现92%可见光透射率，同时吸收93%紫外和51%近红外光。在1太阳辐照下，表面温度升高28.5℃，即使在0.5太阳下仍升高14.4℃。除雾测试显示涂层在120秒内完全除雾，而对照组需420秒，除雾时间减少3.5倍。

耐久性

涂层可通过简单的流延法大规模制备（1.0×0.8 m2），在柔性基底上弯曲变形不会引起机械损伤或影响光学性能。ASTM D3359附着力测试达到5B标准，耐紫外老化30天，抗磨损循环8次后仍保持太阳能吸收率和可见光透射率。在日常40-60%湿度环境下防雾持续时间近60天，远超商业产品。

实际可行性测试

在眼镜片和汽车挡风玻璃上应用显示，涂层在冬季室外（约0.5太阳辐照）5分钟后，佩戴口罩呼气时未涂层镜片完全起雾，而涂层镜片保持全视野清晰。温室模拟测试中，涂层薄膜在连续高蒸汽环境下保持90%以上透明度，而未涂层薄膜被密集水滴覆盖。

该研究通过自由体积理论设计了一种PVA-SPPESK防雾系统，强氢键与光热效应协同实现持续防雾。刚性联苯结构增强界面稳定性，扭曲非共面构型增加自由体积，提高水分吸收并延长防雾时间。溶液可加工涂层结合可扩展制造和机械鲁棒性，可直接集成到多层系统中进行防雾升级。SPPESK-CTB协同实现92%可见光透明度和UV-NIR光热活性，在1太阳光照下产生28°C热梯度，比未处理表面加速除雾3.5倍。这种性能在0.2太阳辐照和良好湿度耐久性下持续。

未来工作应优先考虑涂层优化，以实现跨基础设施的耐久部署。虽然吸湿-光热协同作用证明了防雾功效，但可扩展制造、环境适应性和成本效率需要重点关注。当前的吸湿-光热双机制可通过两个战略扩展进一步增强：整合自修复能力以减轻机械降解；实施刺激响应材料，实现基于湿度/温度触发的防雾和除雾模式之间的环境自适应转换。过程-结构-性能协同设计，特别是工程具有可控自由体积的机械稳定聚合物网络，将加速从实验室原型到商业防雾解决方案的工业转化。