【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】傳感技術(shù)是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的支柱之一，而由軟材料構(gòu)建的柔性傳感器件可作為傳統(tǒng)硬質(zhì)傳感器件的重要補(bǔ)充，在可穿戴傳感、智慧醫(yī)療、軟機(jī)器人、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。得益于離子導(dǎo)電凝膠材料良好的生物相容性、力學(xué)匹配性和類生物導(dǎo)電機(jī)制，離子導(dǎo)電凝膠被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ娜嵝詡鞲胁牧现?，已在運(yùn)動(dòng)感知、健康監(jiān)測(cè)、通訊交流等領(lǐng)域得到廣泛研究。然而，由于凝膠網(wǎng)絡(luò)本征的親水特點(diǎn)，傳統(tǒng)離子導(dǎo)電凝膠傳感材料在水環(huán)境中缺乏穩(wěn)定性，無(wú)法應(yīng)用于包括海洋在內(nèi)的各類水環(huán)境中。而海洋與陸地一樣，是人類的重要活動(dòng)空間，尤其是隨著海洋開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的推進(jìn)，發(fā)展海洋傳感材料已成為迫切需求。因此，解決離子導(dǎo)電凝膠材料的海洋穩(wěn)定性問(wèn)題，發(fā)展適用于海洋環(huán)境的高性能凝膠傳感器件對(duì)于海洋活動(dòng)具有重要意義。
 

　　近年來(lái)，中國(guó)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(tuán)隊(duì)研究員陳濤和博士魏俊杰，致力于離子導(dǎo)電凝膠基智能傳感材料的研究，并利用疏水界面對(duì)水分子和導(dǎo)電離子的擴(kuò)散屏障功能實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電凝膠材料的水下多功能傳感應(yīng)用。然而，含鹽海水的高導(dǎo)電性會(huì)對(duì)離子凝膠傳感器的傳感性能產(chǎn)生明顯的抑制作用，導(dǎo)致離子導(dǎo)電凝膠的海洋傳感性能還存在不足。對(duì)此，該團(tuán)隊(duì)近期在疏水界面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用質(zhì)子導(dǎo)電機(jī)制和鹽誘導(dǎo)解離效應(yīng)設(shè)計(jì)了在海水環(huán)境中具有鹽適應(yīng)能力的離子液體凝膠材料，實(shí)現(xiàn)了海洋傳感應(yīng)用。
 

　　如圖所示，該工作合成了一種同時(shí)含有親水鏈段(接枝有磺酸基團(tuán)-SO3-和季銨根基團(tuán)-N(CH3)3+)和疏水鏈段的聚合物Proton Conductive Material(簡(jiǎn)稱PCM)，并將其引入到由疏水單體(MMA)和疏水離子液體([BMIm]PF6)構(gòu)建的耐水性離子導(dǎo)電凝膠中。聚合物PCM中的疏水鏈段可以使其在疏水凝膠中具有良好的相容性，而親水鏈段中的兩性離子基團(tuán)又可以促進(jìn)離子液體發(fā)生解離，提高凝膠中的自由離子含量。此外，-SO3-與[BMIm]+的靜電作用為質(zhì)子提供了遷移通道，在離子導(dǎo)電凝膠中形成特殊的質(zhì)子導(dǎo)電機(jī)制，進(jìn)一步提高凝膠的導(dǎo)電性，為改善其在高導(dǎo)電性海水中的傳感性能奠定了基礎(chǔ)。[BMIm]+-Cl-的作用強(qiáng)度高于Na+-Cl-和[BMIm]+-PF6-的作用強(qiáng)度，因此海水中的鹽能夠?qū)δz中的離子液體產(chǎn)生誘導(dǎo)解離作用，使凝膠的導(dǎo)電性隨著鹽含量的增大而提高，即導(dǎo)電能力的鹽適應(yīng)性增強(qiáng)。這種鹽適應(yīng)導(dǎo)電增強(qiáng)能力使得凝膠傳感器的傳感靈敏度不會(huì)因?yàn)楦啕}含量海水的高導(dǎo)電性而受到削弱，反而展現(xiàn)出遠(yuǎn)超空氣環(huán)境和純水環(huán)境的傳感性能?；谶@種特性，該鹽適應(yīng)離子導(dǎo)電凝膠被成功應(yīng)用于潛水人員的呼吸監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)感知、海下信息通訊以及海洋機(jī)器人的動(dòng)作識(shí)別等海洋傳感領(lǐng)域，并展現(xiàn)出令人滿意的傳感性能。
 

　　這一鹽適應(yīng)凝膠傳感材料初步滿足了海洋應(yīng)變傳感需求，為未來(lái)進(jìn)一步構(gòu)建高靈敏、多模式海洋傳感材料提供了設(shè)計(jì)思路。相關(guān)研究成果以Salt-Adaptively Conductive Ionogel Sensor for Marine Sensing為題，發(fā)表在Small(DOI:10.1002/smll.202305848)上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、寧波市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和寧波市自然科學(xué)基金等的支持。
 

導(dǎo)電凝膠的鹽適應(yīng)結(jié)構(gòu)與海洋傳感應(yīng)用