近日，大陸南方部分地區出現特有的“回南天”現象，衆網友紛紛表示“感覺像住了水簾洞”，“感覺家裡的牆壁在流淚”。造成這一現象的原因是因為室外溫度高，室内溫度低，室内水蒸氣冷凝産生的水霧布滿了牆壁、地闆表面，與冬季眼鏡起霧道理相同。對于普通大衆來說，隻需等待天氣繼續變暖，“回南天”自然會過去。但是，對醫務工作者和一些特種作業操作者來說，避免裝置表面起霧則十分關鍵。表面防霧，這裡邊的門道可深了；而親水的肥皂，和防水的蚊子，或許就是我們戰勝“回南天”的秘密武器。
撰文 | 王威（哈爾濱工業大學（深圳）教授）
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回南天與起霧
周六早上一出家門，一瞬間以為到了澡堂：樓道裡的牆面和窗戶都挂着水滴，而地面好像撒過水一樣潮濕。小區樓下更誇張：一些背陰的位置，瓷磚地闆上的水都可以蹚出水花。
筆者家的樓道。并沒有人拖過地、擦過牆。
原來，一年一度的“回南天”又來了。
配圖檔來源：深圳衛健委公衆号
身處廣東福建的同學可能對于“回南天”已經不陌生了。簡單來說，造成這種現象的原因是室外突然升溫，濕度大，但室内仍然涼爽，就會有水蒸氣在室内表面冷凝。
圖檔來源：中國天氣網公衆号
基于同樣的道理，我們冬天去澡堂或者夏天從空調房走到室外，眼鏡都容易起霧。另外，冬天坐在封閉的車裡，車窗内側會起霧；而在夏天，空調車的窗外側也容易起霧。
圖檔來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/51680101
回南天也好，眼睛、玻璃上起霧也罷，或許隻會給我們的生活帶來一些不友善。但對于醫護人員、操作關鍵儀器裝置的勞工等，護目鏡、眼鏡上突然的起霧會讓視線模糊，進而帶來巨大的安全隐患；飛機、汽車的擋風玻璃、後視鏡等起霧還可能造成嚴重的交通事故。是以，開發防霧材料有重大的現實意義。
圖檔來源：https://www.sohu.com/a/381267390_649720
防霧在自然界也有重要的意義。例如，對于蝴蝶、蚊子等體型較小的飛行昆蟲來說，如果有水滴凝結在它們的翅膀、眼睛或者身體的其他部位，可能會帶來滅頂之災。
圖檔來源：https://m.popao.cn/shuoshuo/3551.html
想要避免起霧，首先要了解物體表面起霧有三要素：需要濕度高的空氣，需要溫度低的表面，還需要形成小水滴。是以，通過給空氣除濕，或者加熱表面，可以從根本上避免起霧。
圖檔來源：作者制圖
但不論人呼出的空氣，還是昆蟲所處的環境，水蒸氣都源源不斷；而不論是醫生的護目鏡，還是蚊子的眼睛、翅膀，都不能随意加熱。那還有什麼方法可以防止護目鏡和蚊子身體上起霧呢？
我們回顧一下起霧的三要素，既然無法給表面加熱，也無法降低空氣濕度，那就隻能在水滴這件事上做文章。換句話說，可以允許水的冷凝，但隻要避免産生水滴就可以。從這一個思路出發，有兩種防霧政策，分别是讓水凝結成均勻水膜的“親水化”政策，和讓水凝結成大水滴滾落而下的“疏水化”政策。
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防霧政策之一：親水表面
人造防霧材料通常采用第一種方法，即通過對表面進行化學修飾，覆寫一些“親水”的物質，使凝結的水能夠鋪展成一層均勻的水膜。這樣的水膜像玻璃一樣透光，是以也就不會幹擾視線。
這種“親水化”可以通過特殊的儀器實作。例如用“氧等離子體”轟擊玻璃表面，産生含有氧原子的基團，進而極大地改善玻璃表面的親水性，使水能夠充分潤濕，形成水膜。
還可以通過覆寫一層特殊的鍍膜來實作“親水化”。例如中南大學湘雅醫院的研究人員們開發了一種含有有機矽氧化合物和丙烯酸的複合塗層，具備良好的親水性、透光率，并能夠與光學鏡片緊密結合不會脫落。[1]
現在，市場上已經能夠買到許多基于類似思路制造的防霧型的護目鏡。但在疫情爆發初期，由于價格、供應量等方面的問題，醫護人員們可能沒法大批量的使用這種防霧護目鏡。有沒有更廉價、更親民的方式能夠讓護目鏡“現用現防霧”呢？
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抹肥皂防霧
除了等離子體處理、鍍膜之外，“親水化”還可以通過塗抹被稱為“表面活性劑”的化學分子來實作。這樣的分子分為兩端：一端是喜歡水的頭部，通常含有電荷或者一些能跟水分子緊密結合的原子、基團；另一端是不喜歡水（“疏水”）的尾部，通常是一段長長的有機分子鍊。肥皂（洗潔精、洗衣粉等）分子就是典型的表面活性劑，它們用疏水端把油污從衣服、碗碟表面拉扯下來，溶入水中。
把表面活性劑塗抹到物體表面後，它們疏水的一端會附着在物體表面，另一端則會與水分子結合，幫助水分子鋪展開形成水膜。
由此産生了一種防止眼鏡冬天起霧的民間偏方：“将洗潔精、肥皂、牙膏或蛋清等産品溶于水中，然後将鏡片泡在其中……眼鏡一整天都不會起霧了，是不是很神奇？”[2]這個方法的核心就是在眼鏡表面塗抹了一層表面活性劑分子，讓凝結的水形成透明的水膜，而不是阻礙視線的小液滴。
别看這方法好像挺老土的，但在兩年前新冠肆虐的時期，對于許多醫務工作者來說這就是最急需的“卡脖子技術”。在2020年發表于《中華眼視光學與視覺科學雜志》的一篇論文中[3]，來自溫州醫科大學附屬眼視光醫院的團隊調研了解決護目鏡防霧問題的七種方法，包括洗手液、肥皂類洗滌劑、防霧膏、碘伏、汽車玻璃水、泳鏡防霧劑等。他們發現，“醫護人員身邊随處可見的抗菌洗手液可起到防霧作用。将洗手液塗在護目鏡内面，然後用水沖洗幹淨，甩幹（注意：忌用紗布或紙巾擦幹），這樣護目鏡就有防霧功能了，此法友善實用，就地取材，效果持久。本文作者之一馳援武漢的鄭秀雲護士長帶領的三個病區醫護團隊就是使用此方法來防霧，效果穩定且持續時間長。”
事實上，不論是低成本的肥皂水，還是聽上去高大上的“泳鏡防霧劑”，甚至是一些科研團隊研制的“護目鏡防霧塗層技術”，原理都是一樣的：表面活性劑分子讓水凝結成水膜而不是水滴。
也正因為這些方法本質是一樣的，是以有類似的弊端：這些“防霧”分子隻是輕輕的附着在物體表面，遇到機械力（例如刮擦）很容易脫落，這就是為什麼上面這篇論文特意提醒“忌用紗布或紙巾擦幹”。另一方面，這些表面活性劑分子本質上是溶于水的，是以水凝結在物體表面的同時，也會帶走這些分子，是以這種防霧手段大多堅持不了一天就會失效。
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防霧政策之二：超疏水表面
上面我們講到，為了避免讓水在表面凝結的時候出現小水滴，可以對表面實體處理，或者覆寫親水的塗層，讓表面變得親水，進而讓水凝結成澄清透亮的水膜，不幹擾視線。但這樣的塗層在空氣中很容易被油污、灰塵等污染，變得沒有那麼親水，也容易脫落、溶解，是以這種“親水”政策制作的護目鏡往往壽命不長。
對于我們日常使用來說，或許一天做一次防霧處理沒什麼大不了的。但對于天天都要跟空氣中的水蒸氣作鬥争的生物來說，上面這些防霧方法不僅不友善，而且假如親水塗層失效，就成了生死攸關的大問題。是以，自然界需要一種穩定、持久、可靠的防霧政策。
“出淤泥而不染”的荷花讓我們意識到，還有一種和人類“親水”的政策截然不同的“疏水”防霧政策。讀者或許很熟悉荷葉的疏水特性了：水滴不僅不會粘結在荷葉表面，反而會像在不粘鍋的表面一樣，變成水珠滾落到荷葉的中心。自從上世紀70年代德國植物學家威廉·巴特洛特（Wilhelm Barthlott）首次在顯微鏡下研究了蓮葉的表面以來，人們已經基本認清了荷葉的疏水原理：簡單來說，荷葉表面有許許多多比頭發絲還細小幾十上百倍的凸起，表面覆寫着疏水的蠟質。水無法潤濕這樣的表面，而被迫形成一個個大的水滴；當荷葉稍微傾斜，水滴就歡快地滾動起來。
圖檔來源：來源：Ensikat, H. J.; Ditsche-Kuru, P.; Neinhuis, C.; Barthlott, W. Beilstein J. Nanotechnol. 2011, 2, 152–161
不喜歡被打濕的昆蟲也利用這種微納結構來防霧。例如，蝴蝶的翅膀有特殊的溝槽，尺寸和荷葉表面的凸起類似，也在微納尺度；而蚊子的複眼是由緊密排列的微小的六邊形組成的，進而讓凝結在表面的水無法鋪展開，而是形成了一個個的水滴。更奇妙的是，滾落的水滴還可以帶走翅膀、眼睛表面的污垢，進而保證了昆蟲身體的幹爽、清潔。
圖檔來源：https://blog.scienceborealis.ca/superhydrophobicity-from-leaf-to-lab/
&https://www.quora.com/How-many-eyes-does-a-mosquito-have
基于超疏水表面的仿生防霧材料研究是一個十分興盛的研究領域，大陸的科學家也在這一領域取得了世界領先的研究成果，感興趣的讀者可以閱讀參考文獻[4],[5]（編者注：參見《從自然到仿生：超疏水材料的前世今生》）。你可能在想，既然自然界給我們提供了這麼好的政策，那能不能把這種超疏水的微納結構用在防霧護目鏡、擋風玻璃、眼鏡？可惜的是，目前這種方法還沒有大規模在生産和生活中使用。究其原因，一方面要在微納米尺度制備這樣精細的結構，并且大批量生産，可能會成本很高、工藝複雜；另一方面，我們對防霧表面的要求不像昆蟲這麼高，對具備長久、穩定防霧材料的需求還沒有那麼急迫。
此外，這種基于微納結構的超疏水表面還有個緻命的缺陷：不耐磨損。一旦這樣精細的結構被破壞，就會從根本上失去疏水的“魔力”。不過近來電子科技大學鄧旭教授團隊與合作者共同開發了一種新的政策[6]，用一種具有優良機械穩定性的微結構“铠甲”把超疏水表面保護起來，進而極大解決了超疏水表面怕磨損的問題。或許我們很快就能看到防水、自清潔的牆壁、玻璃乃至于太陽能電池闆走進千家萬戶了。
誰能想到，蚊子和蝴蝶或許是我們戰勝回南天的關鍵小幫手呢？
參考文獻
[1] 李堅，劉佳一，張陽德，一種新型納米增透防霧膜對光學鏡片的表面改性，中國組織工程研究, 2011, 15(3): 445-449
[2] “冬天戴口罩眼鏡起霧怎麼辦？我來教你5個小妙招”，網易
[3] 黃小瓊, 瞿佳, 陳燕燕, 等. 新型冠狀病毒肺炎疫情期間佩戴護目鏡的正确選擇和防霧指導. 中華眼視光學與視覺科學雜志,2020,22 (04): 253-255，
[4] “綜述：超潤濕仿生防霧材料的進展與挑戰https://www.materialsviewschina.com/2018/05/28848/”
[5] “王鵬偉, 劉明傑, 江雷. 仿生多尺度超浸潤界面材料. 實體學報, 2016, 65(18): 186801.
[6] Dehui Wang, Qiangqiang Sun, Matti J. Hokkanen, Chenglin Zhang, Fan-Yen Lin, Qiang Liu, Shun-Peng Zhu, Tianfeng Zhou, Qing Chang, Bo He, Quan Zhou, Longquan Chen, Zuankai Wang, Robin H. A. Ras, Xu Deng, Nature, 2020, 582, 55–59,
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