寧波材料所在仿生超疏水彈性導(dǎo)電薄膜及其多功能傳感領(lǐng)域取得新進(jìn)展
在自然界中，生物體為了長久生存和繁衍進(jìn)化出許多優(yōu)異的特性，例如一些鳥類羽毛及蝴蝶翅膀的超疏水性、魚鱗的非浸潤性等，以適應(yīng)外部環(huán)境達(dá)到生存的目的。其中，具有超疏水和自支撐性的超黑蝴蝶翅膀能感知天氣的變化并做出反應(yīng)，啟發(fā)了人們?nèi)パ芯亢湍７逻@一有趣的現(xiàn)象。具有自支撐形式的二維軟材料因其高度柔性、可變形和自適應(yīng)的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，研究者們將其引入功能膜和集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以實(shí)現(xiàn)仿生變形和超靈敏傳感性能，在軟體驅(qū)動(dòng)、可穿戴傳感器和柔性儲(chǔ)能等領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用潛力。
盡管自支撐系統(tǒng)為仿生驅(qū)動(dòng)和軟電子技術(shù)提供了一種新的替代途徑，然而，當(dāng)暴露在水環(huán)境中時(shí)，其很難靈敏穩(wěn)定地捕捉微小/大的機(jī)械刺激并給出實(shí)時(shí)響應(yīng)。此外，目前的研究主要集中在基于自支撐薄膜或氣凝膠的超疏水機(jī)械傳感器的構(gòu)建上。對(duì)于自支撐的二維薄膜，由于缺乏多種功能組件的有效整合，二維薄膜的潛力受到嚴(yán)重限制。因此，將具備超薄、導(dǎo)電、可拉伸和超疏水特性的薄膜集成到一個(gè)系統(tǒng)中仍是挑戰(zhàn)，這對(duì)于發(fā)展水下傳感技術(shù)具有重要意義。
近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員、肖鵬副研究員基于在碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性傳感器方面的研究基礎(chǔ)（Chem. Mater., 2016, 28, 7125； ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Nature Commun., 2020, 11, 4359; Nano Energy, 2021, 81, 105617; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2105323），受到超疏水和自支撐性的超黑蝴蝶翅膀的啟發(fā)，開發(fā)了一種彈性、超疏水、自支撐和導(dǎo)電的柔性傳感器，可實(shí)現(xiàn)多功能的天氣監(jiān)測及水下傳感與救援。
該工作采用界面自組裝方法首先在水/空氣界面實(shí)現(xiàn)了碳納米管（CNTs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）復(fù)合薄膜的構(gòu)筑；隨后采用表面功能化修飾策略在CNTs/PDMS上噴涂超薄的疏水彈性聚合物涂層制備了具有不對(duì)稱三層結(jié)構(gòu)的超疏水PDMS/CNTs/PDMS復(fù)合薄膜（PCPM）。通過表面修飾超薄PDMS不僅賦予薄膜優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，還可以有效調(diào)控其表面潤濕性及超疏水穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，基于PCPM薄膜的應(yīng)變傳感器具有高的靈敏度（GF=32.6）、優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和超疏水穩(wěn)定性，可在有水的情況下進(jìn)行生理活動(dòng)的監(jiān)測。更重要的是，基于自支撐形式的PCPM薄膜應(yīng)變傳感器可實(shí)現(xiàn)不同頻率、強(qiáng)度的降雨及太陽光強(qiáng)弱的實(shí)時(shí)天氣監(jiān)測。此外，該自支撐傳感器還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水下快速漂浮、載重、快速運(yùn)輸和全程實(shí)時(shí)電流監(jiān)測的多功能水上救援工具。因此，自支撐PCPM基傳感器在多功能傳感系統(tǒng)和水下軟執(zhí)行器方面展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。
該工作以“Bioinspired Nanostructured Superwetting Thin-Films in a Self-supported form Enabled “Miniature Umbrella” for Weather Monitoring and Water Rescue”為題發(fā)表在Nano-Micro Lett., 2021, DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-021-00775-4。本研究得到了國家自然科學(xué)基金（52073295、51803226）、國家自然科學(xué)基金委中德交流項(xiàng)目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、中科院國際合作局（174433KYSB20170061）及王寬誠國際交叉團(tuán)隊(duì)（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的資助。
受蝴蝶翅膀啟發(fā)的自支撐、超疏水PCPM傳感器的構(gòu)建及天氣監(jiān)測和水下救援應(yīng)用
（高分子與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室 黎姍）