武培怡教授团队《Adv. Mater.》：可水下通信的光学伪装离子凝胶
许多海洋动物（如柳叶鳗、水母等）其组织和器官主要由透明凝胶组成。它们能够将自身融入海洋环境中，以降低被捕食者发现的风险。由于海洋中存在巨量的资源及其特殊的军事战略地位，近几十年来海洋勘探开发越来越受到人们的关注。为了满足各类海洋探测和军事的需要，开发一种能够模拟海洋动物功能，即可以在各种水环境和海洋环境中无视觉障碍地工作，并能够隐秘传递信息的智能人机界面变得越来越重要。近年来，虽然人们利用具有柔软性、可拉伸性和生物相容性的凝胶或弹性体，开发出了各种能够感知刺激和传输信息的智能人机界面，但是这些传感器在水环境中难以满足自粘附、自修复、光学透明性和稳定导电性的要求。如何开发一种能够结合水下粘附性、水下自修复、可拉伸、光学透明和导电的材料是水下人机界面面临的关键挑战。
武培怡教授课题组近年来一直致力于柔性传感器的开发与多功能应用，实现了仿生离子皮肤传感器的自修复特性(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321)，双模式感知及广谱可调的力学性质(Nat. Commun. 2018, 9, 1134)，光学和电学性质的同步响应(ACS Nano, 2018, 12, 12860)，集成温度、湿度、应力和应变多重感知功能的离子皮肤(Mater. Horiz. 2019, 6, 538)，提出分子协同策略优化了本征可拉伸导体的力学性能以及实现对液体分子的感知功能(Nat. Commun. 2019, 10, 3429)，基于可食用面团和口香糖的离子皮肤传感器(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018., ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5, 6731–6738)，可感知多种外界刺激的弹性水凝胶微纤维（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910387），以及具有诊疗功能的仿生离子皮肤（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020）等。
近日，武培怡教授课题组利用含氟聚离子液体（PIL）与离子液体（IL）之间的离子-偶极和离子-离子相互作用，设计了一种高性能的离子凝胶。疏水性动态粘弹性网络赋予了离子凝胶光学透明性、可调节的力学性能、水下自愈合能力、水下粘附性、导电性和可3D打印的能力。基于离子凝胶优异的性能，制备了一种视觉上不易察觉的水下柔性传感器。该传感器可以实现光学伪装、人体运动检测和水环境中的无障碍通信。提出了一种基于改变电子传递路径的新型非接触传感机制，实现了水环境变化检测、物体识别、信息传递、人体站立姿势识别等功能。更重要的是，离子凝胶传感器可以避免传感过程中的疲劳和物理损伤。
图1. 离子凝胶的结构和力学性能的示意图。
图2. 离子凝胶可调的力学性能以及水下自修复性能。
由于PIL与IL的高相容性，离子凝胶在可见光下表现出高度透明，几乎不可察觉。通过改变IL的摩尔含量，可以在很大范围内调节离子凝胶的力学性能和离子电导率。由于氟的高电负性和C-F键的强静电性质，使得PIL和IL都是非常差的氢键供体和受体，因此离子凝胶能有效地消除水分子的干扰，保持内部的离子-偶极和离子-离子相互作用，实现水下修复。
图3. 离子凝胶的水下粘附性能。
为了获得可靠、稳定的信号，柔性传感器应牢固地附着在皮肤或其他基底上。然而，在水环境中，由于水分子会在基材表面形成水合层，使得实现水下附着仍然是一个重大挑战。在该工作中，利用PIL和IL中阴离子（TFSI-）的疏水性，可以破坏水合层屏障，离子凝胶能在水环境中甚至在强酸、强碱、强盐溶液中实现快速、强力粘附，粘附强度高达681±35 kPa。
图4. 离子凝胶传感器的传感性能。
由于具有很强的自粘附性和可拉伸性，离子凝胶传感器能够动态地适应人体皮肤在运动过程中的变化，从而实现对人体运动的实时监测。不论在空气中还是在水下，离子凝胶都能对手指的弯曲、释放进行检测，并能通过摩斯码传递信息。除了对于大应变的响应外，离子凝胶传感器对于诸如面部表情的微小变化、人体吞咽唾液以及呼吸过程等人体的细微运动也有极好的响应。
图5. 离子凝胶传感器的无接触传感性能。
除了检测基于形变的信号变化外，离子凝胶传感器还可以通过改变电子传输路径的方式实现非接触式传感和隐秘信息传递。将离子凝胶传感器放置在水下，当人体或其他物体接触水面时，传感器和接触点之间产生电位差，使得电流通过人体流向地面，从而减少了通过传感器的电子数量，导致了测量出的电阻增大。通过这种新型传感机制离子凝胶传感器可以用来感知手进入水中、识别物体，甚至识别人体的站立姿势，同时这种非接触式传感方式赋予了离子凝胶传感器具有良好的抗疲劳性能。
以上研究成果近期以“Underwater Communication and Optical Camouflage Ionogel”为题，发表在《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202008479）上。复旦大学先进材料实验室博士生于振川为文章第一作者，通讯作者为武培怡教授。该课题得到了国家自然科学基金重点项目(51733003)等项目的资助与支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202008479
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