寧波材料所陳濤研究員：在全疏水離子液體凝膠用於可穿戴水下感測與通訊領域取得進展

2021-08-11由高分子科學前沿發表于科技

海洋是一個巨大而神秘的寶藏，人們對於海洋的探索與開發從未停止。潛水是探索海洋的重要方式之一，但複雜多變的水下環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狀況時難以及時求救，這進一步增大了海洋勘探的風險。如果能發展出可用於水下的

可穿戴感測與通訊技術

，實現對潛水過程的實時監測以及高效的水下通訊，將對提高海洋勘探效率，保障水下作業安全具有重要意義。

在諸多可穿戴感測材料中，

離子導電凝膠材料

由於其良好的生物相容性、力學匹配性與可修飾性，被認為是最理想候選材料之一，已被廣泛應用於運動感知、健康監測等領域的研究。然而，離子導電凝膠材料的水下應用卻面臨著巨大挑戰，這主要是因為：1）

離子導電凝膠在水環境中會出現吸水溶脹現象，導致力學效能與導電效能的不穩定

；2）

離子導電凝膠中的導電離子在水環境中會擴散流失，導致導電與感測能力的逐漸喪失

。因此，賦予離子導電凝膠材料必要的水下抗溶脹能力與防離子流失能力對於實現離子導電凝膠材料的水下長期穩定，發展可穿戴水下感測技術具有重要意義。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所智慧高分子材料團隊陳濤研究員

近年來致力於柔性可穿戴感測材料（

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）與智慧高分子水凝膠（

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。基於這兩方面的研究基礎，該團隊近期與

浙江省之江實驗室鄭音飛教授

合作，利用疏水介面對水分子和導電離子的擴散屏障功能，開發了一種具有水下長期穩定性的全疏水離子液體凝膠材料，並實現了其在水下環境中的感測與通訊應用。

該工作透過疏水單體（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醯亞胺鹽，［BMIm］TFSI）中的聚合，製備了具有

全疏水結構的離子液體凝膠

。在水環境中，該凝膠表面的疏水聚合物網路在疏水作用下發生聚集，形成緻密的疏水介面，從而可有效阻斷水分子的跨介面擴散，實現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洩漏能力。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）可以將導電離子牢牢“鎖”在凝膠網路中，進一步提高該離子液體凝膠的防離子洩漏能力。這種優異的抗溶脹和防離子洩漏效能確保了該離子液體凝膠在水環境中能保持長期穩定。該全疏水離子液體凝膠在水環境中展現出了優異的應變感測效能，包括高靈敏度、快速響應性和長期穩定性。研究人員對其作為可穿戴水下感測器的效能進行了詳細研究，發現該凝膠感測器不僅可以粘附在人體各關節處實現對人體游泳狀態（游泳姿態、划水頻率、呼吸狀態等）的實時監測，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（遊動速度、轉向、躍出水面等）。更有意義的是，結合凝膠感測器的水下感測功能與傳統的摩斯密碼編碼規則，研究人員設計了一套基於指關節彎曲感測的新型水下通訊編碼機制，即以指關節的大、小彎曲幅度分別對應摩斯密碼的長、簡訊號，從而成功構建了可用於水下通訊的可穿戴水下發報機，並初步實現了資訊的水下發送。本工作所構築的全疏水離子液體凝膠不僅具有長期的水下穩定性，拓寬了離子導電凝膠材料的應用環境，而且在水下運動監測、水下通訊、水下生物考察等領域都展現了良好的應用潛力，有望提高海洋勘探的效率和安全性。