海洋是一個巨大而神秘的寶藏，人們對(duì)于海洋的探索與開(kāi)發(fā)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(zhe)各種(zhǒng)各樣(yàng)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(zhè)進(jìn)一步增大了海洋勘探的風險。如果能(néng)發(fā)展出可用于水下的可穿戴傳感與通訊技術，實現對(duì)潛水過(guò)程的實時監測以及高效的水下通訊，將(jiāng)對(duì)提高海洋勘探效率，保障水下作業安全具有重要意義。
在諸多可穿戴傳感材料中，離子導電凝膠材料由于其良好(hǎo)的生物相容性、力學(xué)匹配性與可修飾性，被(bèi)認爲是最理想候選材料之一，已被(bèi)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卻面(miàn)臨著(zhe)巨大挑戰，這(zhè)主要是因爲：1）離子導電凝膠在水環境中會出現吸水溶脹現象，導緻力學(xué)性能(néng)與導電性能(néng)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，導緻導電與傳感能(néng)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(néng)力與防離子流失能(néng)力對(duì)于實現離子導電凝膠材料的水下長(cháng)期穩定，發(fā)展可穿戴水下傳感技術具有重要意義。
中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所智能(néng)高分子材料團隊陳濤研究員近年來緻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(néng)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(zhè)兩(liǎng)方面(miàn)的研究工作。基于這(zhè)兩(liǎng)方面(miàn)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，利用疏水界面(miàn)對(duì)水分子和導電離子的擴散屏障功能(néng)，開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)具有水下長(cháng)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。
該工作通過(guò)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構的離子液體凝膠。在水環境中，該凝膠表面(miàn)的疏水聚合物網絡在疏水作用下發(fā)生聚集，形成(chéng)緻密的疏水界面(miàn)，從而可有效阻斷水分子的跨界面(miàn)擴散，實現離子液體凝膠的抗溶脹功能(néng)。同時，[BMIm]TFSI的疏水性也阻礙了其向(xiàng)水相中的擴散，使其具有一定的防離子洩漏能(néng)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(jiāng)導電離子牢牢“鎖”在凝膠網絡中，進(jìn)一步提高該離子液體凝膠的防離子洩漏能(néng)力。這(zhè)種(zhǒng)優異的抗溶脹和防離子洩漏性能(néng)确保了該離子液體凝膠在水環境中能(néng)保持長(cháng)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傳感性能(néng)，包括高靈敏度、快速響應性和長(cháng)期穩定性。研究人員對(duì)其作爲可穿戴水下傳感器的性能(néng)進(jìn)行了詳細研究，發(fā)現該凝膠傳感器不僅可以粘附在人體各關節處實現對(duì)人體遊泳狀态（遊泳姿态、劃水頻率、呼吸狀态等）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爲（遊動速度、轉向(xiàng)、躍出水面(miàn)等）。更有意義的是，結合凝膠傳感器的水下傳感功能(néng)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、小彎曲幅度分别對(duì)應摩斯密碼的長(cháng)、短信号，從而成(chéng)功構建了可用于水下通訊的可穿戴水下發(fā)報機，并初步實現了信息的水下發(fā)送。本工作所構築的全疏水離子液體凝膠不僅具有長(cháng)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(dōu)展現了良好(hǎo)的應用潛力，有望提高海洋勘探的效率和安全性。
該工作以題爲“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(guó)家自然科學(xué)基金（51773215）、中國(guó)博士後(hòu)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(guó)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建及其水下傳感與通訊應用
（高分子與複合材料實驗室 魏俊傑）
