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肥皂和蚊子:打败“回南天”的秘密武器?

近日,我国南方部分地区出现特有的“回南天”现象,众网友纷纷表示“感觉像住了水帘洞”,“感觉家里的墙壁在流泪”。造成这一现象的原因是因为室外温度高,室内温度低,室内水蒸气冷凝产生的水雾布满了墙壁、地板表面,与冬季眼镜起雾道理相同。对于普通大众来说,只需等待天气继续变暖,“回南天”自然会过去。但是,对医务工作者和一些特种作业操作者来说,避免设备表面起雾则十分关键。表面防雾,这里边的门道可深了;而亲水的肥皂,和防水的蚊子,或许就是我们战胜“回南天”的秘密武器。

撰文 | 王威(哈尔滨工业大学(深圳)教授)

 

 1回南天与起雾

周六早上一出家门,一瞬间以为到了澡堂:楼道里的墙面和窗户都挂着水滴,而地面好像撒过水一样潮湿。小区楼下更夸张:一些背阴的位置,瓷砖地板上的水都可以蹚出水花。

笔者家的楼道。并没有人拖过地、擦过墙。

原来,一年一度的“回南天”又来了。
 

配图片来源:深圳卫健委公众号

 

身处广东福建的同学可能对于“回南天”已经不陌生了。简单来说,造成这种现象的原因是室外突然升温,湿度大,但室内仍然凉爽,就会有水蒸气在室内表面冷凝

 

图片来源:中国天气网公众号

 

基于同样的道理,我们冬天去澡堂或者夏天从空调房走到室外,眼镜都容易起雾。另外,冬天坐在封闭的车里,车窗内侧会起雾;而在夏天,空调车的窗外侧也容易起雾。
 

图片来源:https://zhuanlan.zhihu.com/p/51680101

回南天也好,眼睛、玻璃上起雾也罢,或许只会给我们的生活带来一些不方便。但对于医护人员、操作关键仪器设备的工人等,护目镜、眼镜上突然的起雾会让视线模糊,从而带来巨大的安全隐患;飞机、汽车的挡风玻璃、后视镜等起雾还可能造成严重的交通事故。因此,开发防雾材料有重大的现实意义
 

图片来源:https://www.sohu.com/a/381267390_649720

防雾在自然界也有重要的意义。例如,对于蝴蝶、蚊子等体型较小的飞行昆虫来说,如果有水滴凝结在它们的翅膀、眼睛或者身体的其他部位,可能会带来灭顶之灾。

 

图片来源:https://m.popao.cn/shuoshuo/3551.html

想要避免起雾,首先要了解物体表面起雾有三要素:需要湿度高的空气,需要温度低的表面,还需要形成小水滴。所以,通过给空气除湿,或者加热表面,可以从根本上避免起雾。
 

图片来源:作者制图

 

但不论人呼出的空气,还是昆虫所处的环境,水蒸气都源源不断;而不论是医生的护目镜,还是蚊子的眼睛、翅膀,都不能随意加热。那还有什么方法可以防止护目镜和蚊子身体上起雾呢?

我们回顾一下起雾的三要素,既然无法给表面加热,也无法降低空气湿度,那就只能在水滴这件事上做文章。换句话说,可以允许水的冷凝,但只要避免产生水滴就可以。从这一个思路出发,有两种防雾策略,分别是让水凝结成均匀水膜的“亲水化”策略,和让水凝结成大水滴滚落而下的“疏水化”策略。

 

 2防雾策略之一:亲水表面

 

图片来源:作者制图

人造防雾材料通常采用第一种方法,即通过对表面进行化学修饰,覆盖一些“亲水”的物质,使凝结的水能够铺展成一层均匀的水膜。这样的水膜像玻璃一样透光,因此也就不会干扰视线。

这种“亲水化”可以通过特殊的仪器实现。例如用“氧等离子体”轰击玻璃表面,产生含有氧原子的基团,从而极大地改善玻璃表面的亲水性,使水能够充分润湿,形成水膜。

 

图片来源:作者制图

还可以通过覆盖一层特殊的镀膜来实现“亲水化”。例如中南大学湘雅医院的研究人员们开发了一种含有有机硅氧化合物和丙烯酸的复合涂层,具备良好的亲水性、透光率,并能够与光学镜片紧密结合不会脱落。[1]

现在,市场上已经能够买到许多基于类似思路制造的防雾型的护目镜。但在疫情爆发初期,由于价格、供应量等方面的问题,医护人员们可能没法大批量的使用这种防雾护目镜。有没有更廉价、更亲民的方式能够让护目镜“现用现防雾”呢?

 

 3抹肥皂防雾

除了等离子体处理、镀膜之外,“亲水化”还可以通过涂抹被称为“表面活性剂”的化学分子来实现。这样的分子分为两端:一端是喜欢水的头部,通常含有电荷或者一些能跟水分子紧密结合的原子、基团;另一端是不喜欢水(“疏水”)的尾部,通常是一段长长的有机分子链。肥皂(洗洁精、洗衣粉等)分子就是典型的表面活性剂,它们用疏水端把油污从衣服、碗碟表面拉扯下来,溶入水中。
 

图片来源:作者制图

把表面活性剂涂抹到物体表面后,它们疏水的一端会附着在物体表面,另一端则会与水分子结合,帮助水分子铺展开形成水膜。

由此产生了一种防止眼镜冬天起雾的民间偏方:“将洗洁精、肥皂、牙膏或蛋清等产品溶于水中,然后将镜片泡在其中……眼镜一整天都不会起雾了,是不是很神奇?”[2]这个方法的核心就是在眼镜表面涂抹了一层表面活性剂分子,让凝结的水形成透明的水膜,而不是阻碍视线的小液滴。

别看这方法好像挺老土的,但在两年前新冠肆虐的时期,对于许多医务工作者来说这就是最急需的“卡脖子技术”。在2020年发表于《中华眼视光学与视觉科学杂志》的一篇论文中[3],来自温州医科大学附属眼视光医院的团队调研了解决护目镜防雾问题的七种方法,包括洗手液、肥皂类洗涤剂、防雾膏、碘伏、汽车玻璃水、泳镜防雾剂等。他们发现,“医护人员身边随处可见的抗菌洗手液可起到防雾作用。将洗手液涂在护目镜内面,然后用水冲洗干净,甩干(注意:忌用纱布或纸巾擦干),这样护目镜就有防雾功能了,此法方便实用,就地取材,效果持久。本文作者之一驰援武汉的郑秀云护士长带领的三个病区医护团队就是使用此方法来防雾,效果稳定且持续时间长。”

事实上,不论是低成本的肥皂水,还是听上去高大上的“泳镜防雾剂”,甚至是一些科研团队研制的“护目镜防雾涂层技术”,原理都是一样的:表面活性剂分子让水凝结成水膜而不是水滴。

也正因为这些方法本质是一样的,因此有类似的弊端:这些“防雾”分子只是轻轻的附着在物体表面,遇到机械力(例如刮擦)很容易脱落,这就是为什么上面这篇论文特意提醒“忌用纱布或纸巾擦干”。另一方面,这些表面活性剂分子本质上是溶于水的,因此水凝结在物体表面的同时,也会带走这些分子,所以这种防雾手段大多坚持不了一天就会失效。

 

 4防雾策略之二:超疏水表面

上面我们讲到,为了避免让水在表面凝结的时候出现小水滴,可以对表面物理处理,或者覆盖亲水的涂层,让表面变得亲水,从而让水凝结成澄清透亮的水膜,不干扰视线。但这样的涂层在空气中很容易被油污、灰尘等污染,变得没有那么亲水,也容易脱落、溶解,因此这种“亲水”策略制作的护目镜往往寿命不长。

对于我们日常使用来说,或许一天做一次防雾处理没什么大不了的。但对于天天都要跟空气中的水蒸气作斗争的生物来说,上面这些防雾方法不仅不方便,而且假如亲水涂层失效,就成了生死攸关的大问题。因此,自然界需要一种稳定、持久、可靠的防雾策略。

“出淤泥而不染”的荷花让我们意识到,还有一种和人类“亲水”的策略截然不同的“疏水”防雾策略。读者或许很熟悉荷叶的疏水特性了:水滴不仅不会粘结在荷叶表面,反而会像在不粘锅的表面一样,变成水珠滚落到荷叶的中心。自从上世纪70年代德国植物学家威廉·巴特洛特(Wilhelm Barthlott)首次在显微镜下研究了莲叶的表面以来,人们已经基本认清了荷叶的疏水原理:简单来说,荷叶表面有许许多多比头发丝还细小几十上百倍的凸起,表面覆盖着疏水的蜡质。水无法润湿这样的表面,而被迫形成一个个大的水滴;当荷叶稍微倾斜,水滴就欢快地滚动起来。
 

图片来源:来源:Ensikat, H. J.; Ditsche-Kuru, P.; Neinhuis, C.; Barthlott, W. Beilstein J. Nanotechnol. 2011, 2, 152–161

不喜欢被打湿的昆虫也利用这种微纳结构来防雾。例如,蝴蝶的翅膀有特殊的沟槽,尺寸和荷叶表面的凸起类似,也在微纳尺度;而蚊子的复眼是由紧密排列的微小的六边形组成的,从而让凝结在表面的水无法铺展开,而是形成了一个个的水滴。更奇妙的是,滚落的水滴还可以带走翅膀、眼睛表面的污垢,从而保证了昆虫身体的干爽、清洁。
 

图片来源: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雾材料研究是一个十分兴盛的研究领域,我国的科学家也在这一领域取得了世界领先的研究成果,感兴趣的读者可以阅读参考文献[4],[5](编者注:参见《从自然到仿生:超疏水材料的前世今生》)。你可能在想,既然自然界给我们提供了这么好的策略,那能不能把这种超疏水的微纳结构用在防雾护目镜、挡风玻璃、眼镜?可惜的是,目前这种方法还没有大规模在生产和生活中使用。究其原因,一方面要在微纳米尺度制备这样精细的结构,并且大批量生产,可能会成本很高、工艺复杂;另一方面,我们对防雾表面的要求不像昆虫这么高,对具备长久、稳定防雾材料的需求还没有那么急迫。

此外,这种基于微纳结构的超疏水表面还有个致命的缺陷:不耐磨损。一旦这样精细的结构被破坏,就会从根本上失去疏水的“魔力”。不过近来电子科技大学邓旭教授团队与合作者共同开发了一种新的策略[6],用一种具有优良机械稳定性的微结构“铠甲”把超疏水表面保护起来,从而极大解决了超疏水表面怕磨损的问题。或许我们很快就能看到防水、自清洁的墙壁、玻璃乃至于太阳能电池板走进千家万户了。

谁能想到,蚊子和蝴蝶或许是我们战胜回南天的关键小帮手呢?


 

参考文献

[1] 李坚,刘佳一,张阳德,一种新型纳米增透防雾膜对光学镜片的表面改性,中国组织工程研究, 2011, 15(3): 445-449 

[2] “冬天戴口罩眼镜起雾怎么办?我来教你5个小妙招”,网易 [3] 黄小琼, 瞿佳, 陈燕燕, 等.  新型冠状病毒肺炎疫情期间佩戴护目镜的正确选择和防雾指导. 中华眼视光学与视觉科学杂志,2020,22 (04): 253-255, [4] “综述:超润湿仿生防雾材料的进展与挑战 https://www.materialsviewschina.com/2018/05/28848/” [5] “王鹏伟, 刘明杰, 江雷. 仿生多尺度超浸润界面材料. 物理学报, 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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