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寧波材料所等在全疏水離子液體凝膠用于可穿戴水下傳感
與通訊研究

發布時間:2021-8-16     來源:寧波材料技術與工程研究所    點擊率:101

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從未停止。潛水是探索海洋的重要方式之一,但復雜多變的水下環境潛藏著各種各樣的危險,甚至威脅到潛水員的生命安全。水下通訊困難的問題使得潛水員在遭遇突發狀況時難以及時求救,進一步增大了海洋勘探的風險。如果能發展出可用于水下的可穿戴傳感與通訊技術,實現對潛水過程的實時監測以及高效的水下通訊,將有利于提高海洋勘探效率和保障水下作業安全。

在諸多可穿戴傳感材料中,離子導電凝膠材料由于其良好的生物相容性、力學匹配性與可修飾性,被認為是一種理想的候選材料,已被廣泛應用于運動感知、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面臨挑戰,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,導致力學性能與導電性能的不穩定;(2)離子導電凝膠中的導電離子在水環境中會擴散流失,導致導電與傳感能力的逐漸喪失。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于實現離子導電凝膠材料的水下長期穩定、發展可穿戴水下傳感技術具有重要意義。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊研究員陳濤近年來致力于柔性可穿戴傳感材料與智能高分子水凝膠的研究?;谶@兩方面的研究基礎,該團隊近期和浙江省之江實驗室教授鄭音飛合作,利用疏水界面對水分子和導電離子的擴散屏障功能,開發出一種具有水下長期穩定性的全疏水離子液體凝膠材料,并實現了其在水下環境中的傳感與通訊應用。

該研究通過疏水單體(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,制備出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絡在疏水作用下發生聚集,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)能夠將導電離子牢牢在凝膠網絡中,進一步提高該離子液體凝膠的防離子泄漏能力。這種優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境中能夠保持長期穩定。該全疏水離子液體凝膠在水環境中展現出優異的應變傳感性能,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傳感器的性能進行了研究,發現該凝膠傳感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、劃水頻率、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(游動速度、轉向、躍出水面等)。更有意義的是,結合凝膠傳感器的水下傳感功能與傳統的摩斯密碼編碼規則,研究人員設計了一套基于指關節彎曲傳感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、短信號,從而構建了可用于水下通訊的可穿戴水下發報機,并初步實現了信息的水下發送。

該研究構筑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出良好的應用潛力,有望提高海洋勘探的效率和安全性。相關研究成果以Fully-hydrophobic ionogel enables highly efficient wearable underwater sensor and communicator為題,發表在Materials Horizons上。研究工作獲得國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中科院前沿科學重點研究項目、中德合作國際交流項目和王寬誠教育基金等的支持。

 

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