寧波材料所在全疏水離子液體凝膠用于可穿戴水下傳感與通訊領(lǐng)域取得進展
海洋是一個巨大而神秘的寶藏，人們對于海洋的探索與開發(fā)從未停止。潛水是探索海洋的重要方式之一，但復(fù)雜多變的水下環(huán)境潛藏著各種各樣的危險，甚至威脅潛水員的生命安全。水下通訊困難的問題也使得潛水員在遭遇突發(fā)狀況時難以及時求救，這進一步增大了海洋勘探的風(fēng)險。如果能發(fā)展出可用于水下的可穿戴傳感與通訊技術(shù)，實現(xiàn)對潛水過程的實時監(jiān)測以及高效的水下通訊，將對提高海洋勘探效率，保障水下作業(yè)安全具有重要意義。
在諸多可穿戴傳感材料中，離子導(dǎo)電凝膠材料由于其良好的生物相容性、力學(xué)匹配性與可修飾性，被認(rèn)為是最理想候選材料之一，已被廣泛應(yīng)用于運動感知、健康監(jiān)測等領(lǐng)域的研究。然而，離子導(dǎo)電凝膠材料的水下應(yīng)用卻面臨著巨大挑戰(zhàn)，這主要是因為：1）離子導(dǎo)電凝膠在水環(huán)境中會出現(xiàn)吸水溶脹現(xiàn)象，導(dǎo)致力學(xué)性能與導(dǎo)電性能的不穩(wěn)定；2）離子導(dǎo)電凝膠中的導(dǎo)電離子在水環(huán)境中會擴散流失，導(dǎo)致導(dǎo)電與傳感能力的逐漸喪失。因此，賦予離子導(dǎo)電凝膠材料必要的水下抗溶脹能力與防離子流失能力對于實現(xiàn)離子導(dǎo)電凝膠材料的水下長期穩(wěn)定，發(fā)展可穿戴水下傳感技術(shù)具有重要意義。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員近年來致力于柔性可穿戴傳感材料（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 5140; Chem. Mater., 2018, 30, 4343; ACS Nano, 2019, 13, 4368; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 26631; Nano Energy, 2019, 59, 422; Adv. Mater., 2020, 2004290；Nano Energy, 2021, 81, 105617；Chem. Eng. J., 2021, 415, 128988; Adv. Funct. Mater., 2021, 2105323等）與智能高分子水凝膠（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704568；Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1905514；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 16243; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59,19237; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 8608; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 3640; Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI:10.1002/anie.202107281等）這兩方面的研究工作。基于這兩方面的研究基礎(chǔ)，該團隊近期與浙江省之江實驗室鄭音飛教授合作，利用疏水界面對水分子和導(dǎo)電離子的擴散屏障功能，開發(fā)了一種具有水下長期穩(wěn)定性的全疏水離子液體凝膠材料，并實現(xiàn)了其在水下環(huán)境中的傳感與通訊應(yīng)用。
該工作通過疏水單體（丙烯酸叔丁酯，t-BuA）在疏水離子液體（1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽，[BMIm]TFSI）中的聚合，制備了具有全疏水結(jié)構(gòu)的離子液體凝膠。在水環(huán)境中，該凝膠表面的疏水聚合物網(wǎng)絡(luò)在疏水作用下發(fā)生聚集，形成致密的疏水界面，從而可有效阻斷水分子的跨界面擴散，實現(xiàn)離子液體凝膠的抗溶脹功能。同時，[BMIm]TFSI的疏水性也阻礙了其向水相中的擴散，使其具有一定的防離子泄漏能力。此外，[BMIm]TFSI與聚丙烯酸酯間豐富的相互作用力（包括氫鍵、偶極-偶極作用、離子-偶極作用）可以將導(dǎo)電離子牢牢“鎖”在凝膠網(wǎng)絡(luò)中，進一步提高該離子液體凝膠的防離子泄漏能力。這種優(yōu)異的抗溶脹和防離子泄漏性能確保了該離子液體凝膠在水環(huán)境中能保持長期穩(wěn)定。該全疏水離子液體凝膠在水環(huán)境中展現(xiàn)出了優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能，包括高靈敏度、快速響應(yīng)性和長期穩(wěn)定性。研究人員對其作為可穿戴水下傳感器的性能進行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)該凝膠傳感器不僅可以粘附在人體各關(guān)節(jié)處實現(xiàn)對人體游泳狀態(tài)（游泳姿態(tài)、劃水頻率、呼吸狀態(tài)等）的實時監(jiān)測，而且也可以粘附在魚類體表感知生物在海洋中的運動行為（游動速度、轉(zhuǎn)向、躍出水面等）。更有意義的是，結(jié)合凝膠傳感器的水下傳感功能與傳統(tǒng)的摩斯密碼編碼規(guī)則，研究人員設(shè)計了一套基于指關(guān)節(jié)彎曲傳感的新型水下通訊編碼機制，即以指關(guān)節(jié)的大、小彎曲幅度分別對應(yīng)摩斯密碼的長、短信號，從而成功構(gòu)建了可用于水下通訊的可穿戴水下發(fā)報機，并初步實現(xiàn)了信息的水下發(fā)送。本工作所構(gòu)筑的全疏水離子液體凝膠不僅具有長期的水下穩(wěn)定性，拓寬了離子導(dǎo)電凝膠材料的應(yīng)用環(huán)境，而且在水下運動監(jiān)測、水下通訊、水下生物考察等領(lǐng)域都展現(xiàn)了良好的應(yīng)用潛力，有望提高海洋勘探的效率和安全性。
該工作以題為“Fully-hydrophobic ionogel enables highly efficient wearable underwater sensor and communicator”發(fā)表在Materials Horizons（https://doi.org/10.1039/D1MH00998B）上。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（51773215）、中國博士后科學(xué)基金（2021M690157）、中科院前沿科學(xué)重點研究項目（QYZDB-SSW-SLH036）、中德合作國際交流項目（M-0424）和王寬誠教育基金（GJTD-2019-13）等項目的支持。
全疏水離子液體凝膠的構(gòu)建及其水下傳感與通訊應(yīng)用
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