肥皂和蚊子：打敗“回南天”的秘密武器？

近日，我國南方部分地區(qū)出現(xiàn)特有的“回南天”現(xiàn)象，眾網友紛紛表示“感覺像住了水簾洞”，“感覺家里的墻壁在流淚”。造成這一現(xiàn)象的原因是因為室外溫度高，室內溫度低，室內水蒸氣冷凝產生的水霧布滿了墻壁、地板表面，與冬季眼鏡起霧道理相同。對于普通大眾來說，只需等待天氣繼續(xù)變暖，“回南天”自然會過去。但是，對醫(yī)務工作者和一些特種作業(yè)操作者來說，避免設備表面起霧則十分關鍵。表面防霧，這里邊的門道可深了；而親水的肥皂，和防水的蚊子，或許就是我們戰(zhàn)勝“回南天”的秘密武器。

撰文 | 王威（哈爾濱工業(yè)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：樓道里的墻面和窗戶都掛著水滴，而地面好像撒過水一樣潮濕。小區(qū)樓下更夸張：一些背陰的位置，瓷磚地板上的水都可以蹚出水花。

筆者家的樓道。并沒有人拖過地、擦過墻。

原來，一年一度的“回南天”又來了。

配圖片來源：深圳衛(wèi)健委公眾號

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(xiàn)象的原因是室外突然升溫，濕度大，但室內仍然涼爽，就會有水蒸氣在室內表面冷凝。

圖片來源：中國天氣網公眾號

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，冬天坐在封閉的車里，車窗內側會起霧；而在夏天，空調車的窗外側也容易起霧。

回南天也好，眼鏡、玻璃上起霧也罷，或許只會給我們的生活帶來一些不方便。但對于醫(yī)護人員、操作關鍵儀器設備的工人等，護目鏡、眼鏡上突然的起霧會讓視線模糊，從而帶來巨大的安全隱患；飛機、汽車的擋風玻璃、后視鏡等起霧還可能造成嚴重的交通事故。因此，開發(fā)防霧材料有重大的現(xiàn)實意義。

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。

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。所以，通過給空氣除濕，或者加熱表面，可以從根本上避免起霧。

圖片來源：作者制圖

但不論人呼出的空氣，還是昆蟲所處的環(huán)境，水蒸氣都源源不斷；而不論是醫(yī)生的護目鏡，還是蚊子的眼睛、翅膀，都不能隨意加熱。那還有什么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，那就只能在水滴這件事上做文章。換句話說，可以允許水的冷凝，但只要避免產生水滴就可以。從這一個思路出發(fā)，有兩種防霧策略，分別是讓水凝結成均勻水膜的“親水化”策略，和讓水凝結成大水滴滾落而下的“疏水化”策略。

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防霧策略之一：親水表面

圖片來源：作者制圖

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，覆蓋一些“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，因此也就不會干擾視線。

這種“親水化”可以通過特殊的儀器實現(xiàn)。例如用“氧等離子體”轟擊玻璃表面，產生含有氧原子的基團，從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。

圖片來源：作者制圖

還可以通過覆蓋一層特殊的鍍膜來實現(xiàn)“親水化”。例如中南大學湘雅醫(yī)院的研究人員們開發(fā)了一種含有有機硅氧化合物和丙烯酸的復合涂層，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(xiàn)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(fā)初期，由于價格、供應量等方面的問題，醫(yī)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(xiàn)用現(xiàn)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”還可以通過涂抹被稱為“表面活性劑”的化學分子來實現(xiàn)。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鏈。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。

圖片來源：作者制圖

把表面活性劑涂抹到物體表面后，它們疏水的一端會附著在物體表面，另一端則會與水分子結合，幫助水分子鋪展開形成水膜。

由此產生了一種防止眼鏡冬天起霧的民間偏方：“將洗潔精、肥皂、牙膏或蛋清等產品溶于水中，然后將鏡片泡在其中……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涂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。

別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(yī)務工作者來說這就是最急需的“卡脖子技術”。在2020年發(fā)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(yī)科大學附屬眼視光醫(yī)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(fā)現(xiàn)，“醫(yī)護人員身邊隨處可見的抗菌洗手液可起到防霧作用。將洗手液涂在護目鏡內面，然后用水沖洗干凈，甩干（注意：忌用紗布或紙巾擦干），這樣護目鏡就有防霧功能了，此法方便實用，就地取材，效果持久。本文作者之一馳援武漢的鄭秀云護士長帶領的三個病區(qū)醫(yī)護團隊就是使用此方法來防霧，效果穩(wěn)定且持續(xù)時間長?！?/p>

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“護目鏡防霧涂層技術”，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，因此有類似的弊端：這些“防霧”分子只是輕輕的附著在物體表面，遇到機械力（例如刮擦）很容易脫落，這就是為什么上面這篇論文特意提醒“忌用紗布或紙巾擦干”。另一方面，這些表面活性劑分子本質上是溶于水的，因此水凝結在物體表面的同時，也會帶走這些分子，所以這種防霧手段大多堅持不了一天就會失效。

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防霧策略之二：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(xiàn)小水滴，可以對表面物理處理，或者覆蓋親水的涂層，讓表面變得親水，從而讓水凝結成澄清透亮的水膜，不干擾視線。但這樣的涂層在空氣中很容易被油污、灰塵等污染，變得沒有那么親水，也容易脫落、溶解，因此這種“親水”策略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么大不了的。但對于天天都要跟空氣中的水蒸氣作斗爭的生物來說，上面這些防霧方法不僅不方便，而且假如親水涂層失效，就成了生死攸關的大問題。因此，自然界需要一種穩(wěn)定、持久、可靠的防霧策略。

“出淤泥而不染”的荷花讓我們意識到，還有一種和人類“親水”的策略截然不同的“疏水”防霧策略。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(fā)絲還細小幾十上百倍的凸起，表面覆蓋著疏水的蠟質。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。

圖片來源：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；而蚊子的復眼是由緊密排列的微小的六邊形組成的，從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，從而保證了昆蟲身體的干爽、清潔。

圖片來源：
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，我國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么好的策略，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(guī)模在生產和生活中使用。究其原因，一方面要在微納米尺度制備這樣精細的結構，并且大批量生產，可能會成本很高、工藝復雜；另一方面，我們對防霧表面的要求不像昆蟲這么高，對具備長久、穩(wěn)定防霧材料的需求還沒有那么急迫。

此外，這種基于微納結構的超疏水表面還有個致命的缺陷：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(fā)了一種新的策略[6]，用一種具有優(yōu)良機械穩(wěn)定性的微結構“鎧甲”把超疏水表面保護起來，從而極大解決了超疏水表面怕磨損的問題?；蛟S我們很快就能看到防水、自清潔的墻壁、玻璃乃至于太陽能電池板走進千家萬戶了。

誰能想到，蚊子和蝴蝶或許是我們戰(zhàn)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么辦？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確選擇和防霧指導. 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(zhàn)
https://www.materialsviewschina.com/2018/05/28848/”

[5] “王鵬偉, 劉明杰, 江雷. 仿生多尺度超浸潤界面材料. 物理學報, 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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