中科院宁波材料所陈涛研究员团队等《Mater. Horiz.》:在全疏水离子液体凝胶用于可穿戴水下传感与通讯领域取得进展
The following article is from 中科院宁波材料所 Author 宁波材料所
海洋是一个巨大而神秘的宝藏,人们对于海洋的探索与开发从未停止。潜水是探索海洋的重要方式之一,但复杂多变的水下环境潜藏着各种各样的危险,甚至威胁潜水员的生命安全。水下通讯困难的问题也使得潜水员在遭遇突发状况时难以及时求救,这进一步增大了海洋勘探的风险。如果能发展出可用于水下的可穿戴传感与通讯技术,实现对潜水过程的实时监测以及高效的水下通讯,将对提高海洋勘探效率,保障水下作业安全具有重要意义。
在诸多可穿戴传感材料中,离子导电凝胶材料由于其良好的生物相容性、力学匹配性与可修饰性,被认为是最理想候选材料之一,已被广泛应用于运动感知、健康监测等领域的研究。然而,离子导电凝胶材料的水下应用却面临着巨大挑战,这主要是因为:1)离子导电凝胶在水环境中会出现吸水溶胀现象,导致力学性能与导电性能的不稳定;2)离子导电凝胶中的导电离子在水环境中会扩散流失,导致导电与传感能力的逐渐丧失。因此,赋予离子导电凝胶材料必要的水下抗溶胀能力与防离子流失能力对于实现离子导电凝胶材料的水下长期稳定,发展可穿戴水下传感技术具有重要意义。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员近年来致力于柔性可穿戴传感材料(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)与智能高分子水凝胶(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)这两方面的研究工作。基于这两方面的研究基础,该团队近期与浙江省之江实验室郑音飞教授合作,利用疏水界面对水分子和导电离子的扩散屏障功能,开发了一种具有水下长期稳定性的全疏水离子液体凝胶材料,并实现了其在水下环境中的传感与通讯应用。
图1丨全疏水离子液体凝胶的构建及其水下传感与通讯应用
该工作通过疏水单体(丙烯酸叔丁酯,t-BuA)在疏水离子液体(1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐,[BMIm]TFSI)中的聚合,制备了具有全疏水结构的离子液体凝胶。在水环境中,该凝胶表面的疏水聚合物网络在疏水作用下发生聚集,形成致密的疏水界面,从而可有效阻断水分子的跨界面扩散,实现离子液体凝胶的抗溶胀功能。同时,[BMIm]TFSI的疏水性也阻碍了其向水相中的扩散,使其具有一定的防离子泄漏能力。此外,[BMIm]TFSI与聚丙烯酸酯间丰富的相互作用力(包括氢键、偶极-偶极作用、离子-偶极作用)可以将导电离子牢牢“锁”在凝胶网络中,进一步提高该离子液体凝胶的防离子泄漏能力。这种优异的抗溶胀和防离子泄漏性能确保了该离子液体凝胶在水环境中能保持长期稳定。该全疏水离子液体凝胶在水环境中展现出了优异的应变传感性能,包括高灵敏度、快速响应性和长期稳定性。研究人员对其作为可穿戴水下传感器的性能进行了详细研究,发现该凝胶传感器不仅可以粘附在人体各关节处实现对人体游泳状态(游泳姿态、划水频率、呼吸状态等)的实时监测,而且也可以粘附在鱼类体表感知生物在海洋中的运动行为(游动速度、转向、跃出水面等)。更有意义的是,结合凝胶传感器的水下传感功能与传统的摩斯密码编码规则,研究人员设计了一套基于指关节弯曲传感的新型水下通讯编码机制,即以指关节的大、小弯曲幅度分别对应摩斯密码的长、短信号,从而成功构建了可用于水下通讯的可穿戴水下发报机,并初步实现了信息的水下发送。本工作所构筑的全疏水离子液体凝胶不仅具有长期的水下稳定性,拓宽了离子导电凝胶材料的应用环境,而且在水下运动监测、水下通讯、水下生物考察等领域都展现了良好的应用潜力,有望提高海洋勘探的效率和安全性。
该工作以题为“Fully-hydrophobic ionogel enables highly efficient wearable underwater sensor and communicator”发表在Materials Horizons上。本研究得到了国家自然科学基金(51773215)、中国博士后科学基金(2021M690157)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、中德合作国际交流项目(M-0424)和王宽诚教育基金(GJTD-2019-13)等项目的支持。
原文链接:
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/MH/D1MH00998B
相关进展
宁波材料所陈涛研究员、路伟研究员团队Angew:基于聚集诱导发光碳点凝胶的仿章鱼协同变形变色运动机器人研究方面取得新进展
宁波材料所陈涛研究员、肖鹏副研究员AFM:在蝙蝠翼膜启发的气流传感系统方面取得进展
宁波材料所陈涛研究员课题组《ACS Nano》:基于智能多色荧光高分子水凝胶的仿生变色皮肤研究
宁波材料所陈涛研究员课题组:受豹纹变色龙皮肤启发的智能多色荧光高分子水凝胶
中科院宁波材料所陈涛研究员和张佳玮研究员团队Chem. Sci.综述:形变高分子水凝胶:从记忆到驱动
宁波材料所陈涛研究员、张佳玮研究员团队CEJ:在智能高分子水凝胶传感驱动功能集成方面取得进展
中科院宁波材料所陈涛研究员、路伟研究员团队在智能荧光高分子水凝胶的构建及其三维信息加密领域取得新进展
宁波材料所陈涛研究员课题组在鱼鳔启发的水下自感知软体驱动器方面取得进展
宁波材料所陈涛研究员、张佳玮研究员团队:在多场协同远程控制的水凝胶“变形金刚”领域取得进展
宁波材料所陈涛研究员团队与纳米能源所王中林院士、潘曹峰研究员团队合作《AM》:开发出自修复、可粘附高分子水凝胶柔性触摸屏
中科院宁波材料所陈涛研究员课题组《Small》:在水凝胶可编程化智能变形领域取得进展
宁波材料所陈涛研究员课题组和北航刘明杰教授课题组合作《Angew》:在瞬态荧光水凝胶用于多级信息加密-解密-自擦除方面取得进展
宁波材料所陈涛研究员/深圳大学周学昌教授Mater. Horiz.综述:仿生防冻高分子水凝胶:让软湿材料在极寒条件下保持生命力
中科院宁波材料所陈涛研究员/香港科大唐本忠院士在《ANGEW》发表综述:荧光高分子水凝胶中的多彩世界
中科院宁波材料所陈涛研究员团队《Nat. Commun.》: 开发出无束缚、可编程的“保鲜膜”软体机器人
中科院宁波材料所陈涛研究员团队在铁兰启发的有机凝胶进行光热空气集水方面取得进展
中科院宁波材料所陈涛研究员课题组在仿生调控砂子用于海水淡化与净水收集方面取得进展
中科院宁波材料所陈涛研究员团队:在自保护、人机互动柔性织物传感器方面取得进展
中科院宁波材料所张佳玮研究员与陈涛研究员团队:抗冻可拉伸有机水凝胶软驱动器
中科院宁波材料所陈涛研究员课题组在高分子水凝胶驱动器方面取得新进展
中科院宁波材料所陈涛研究员课题组在智能荧光高分子水凝胶的材料构建及其功能协同方面取得新进展
中科院宁波材料所陈涛研究员团队在非对称仿生界面高分子复合材料用于太阳能海水淡化方面取得系列进展
中科院宁波材料所陈涛、张佳玮研究员:基于动态硼酸酯键的水凝胶的模块化组装和智能形变
中科院宁波材料所陈涛研究员和张佳玮研究员在非对称仿生智能水凝胶驱动领域取得系列进展
中科院宁波材料所张佳玮研究员和陈涛研究员:具有3D复杂驱动-智能变色双功能协同的新型智能仿生水凝胶
中科院宁波材料所陈涛研究员团队在二维非对称超薄膜构建及其仿生应用方面取得进展
中科院宁波材料所陈涛研究员团队在柔性可穿戴电子皮肤方面取得系列进展
中科院宁波材料所陈涛研究员课题组在非对称高分子二维复合薄膜制备及其可穿戴传感器应用方面取得进展
中科院宁波材料所陈涛研究员课题组系统评述:超分子形状记忆水凝胶研究进展
免责声明:部分资料来源于网络,转载的目的在于传递更多信息及分享,并不意味着赞同其观点或证实其真实性,也不构成其他建议。仅提供交流平台,不为其版权负责。如涉及侵权,请联系我们及时修改或删除。邮箱:info@polymer.cn
诚邀投稿
欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群,请先加审核微信号PolymerChina (或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。
点
这里“阅读原文”,查看更多