【儀表網 研發快訊】傳感技術是現代信息產業的支柱之一，而由軟材料構建的柔性傳感器件可作為傳統硬質傳感器件的重要補充，在可穿戴傳感、智慧醫療、軟機器人、人機交互等領域具有重要應用價值。得益于離子導電凝膠材料良好的生物相容性、力學匹配性和類生物導電機制，離子導電凝膠被認為是最有發展潛力的柔性傳感材料之一，已在運動感知、健康監測、通訊交流等領域得到廣泛研究。然而，由于凝膠網絡本征的親水特點，傳統離子導電凝膠傳感材料在水環境中缺乏穩定性，無法應用于包括海洋在內的各類水環境中。而海洋與陸地一樣，是人類的重要活動空間，尤其是隨著海洋開發戰略的推進，發展海洋傳感材料已成為迫切需求。因此，解決離子導電凝膠材料的海洋穩定性問題，發展適用于海洋環境的高性能凝膠傳感器件對于海洋活動具有重要意義。
近年來，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和博士魏俊杰，致力于離子導電凝膠基智能傳感材料的研究，并利用疏水界面對水分子和導電離子的擴散屏障功能實現了導電凝膠材料的水下多功能傳感應用。然而，含鹽海水的高導電性會對離子凝膠傳感器的傳感性能產生明顯的抑制作用，導致離子導電凝膠的海洋傳感性能還存在不足。對此，該團隊近期在疏水界面結構的基礎上，進一步利用質子導電機制和鹽誘導解離效應設計了在海水環境中具有鹽適應能力的離子液體凝膠材料，實現了海洋傳感應用。
如圖所示，該工作合成了一種同時含有親水鏈段(接枝有磺酸基團-SO3-和季銨根基團-N(CH3)3+)和疏水鏈段的聚合物Proton Conductive Material(簡稱PCM)，并將其引入到由疏水單體(MMA)和疏水離子液體([BMIm]PF6)構建的耐水性離子導電凝膠中。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又可以促進離子液體發生解離，提高凝膠中的自由離子含量。此外，-SO3-與[BMIm]+的靜電作用為質子提供了遷移通道，在離子導電凝膠中形成特殊的質子導電機制，進一步提高凝膠的導電性，為改善其在高導電性海水中的傳感性能奠定了基礎。[BMIm]+-Cl-的作用強度高于Na+-Cl-和[BMIm]+-PF6-的作用強度，因此海水中的鹽能夠對凝膠中的離子液體產生誘導解離作用，使凝膠的導電性隨著鹽含量的增大而提高，即導電能力的鹽適應性增強。這種鹽適應導電增強能力使得凝膠傳感器的傳感靈敏度不會因為高鹽含量海水的高導電性而受到削弱，反而展現出遠超空氣環境和純水環境的傳感性能。基于這種特性，該鹽適應離子導電凝膠被成功應用于潛水人員的呼吸監測、運動感知、海下信息通訊以及海洋機器人的動作識別等海洋傳感領域，并展現出令人滿意的傳感性能。
這一鹽適應凝膠傳感材料初步滿足了海洋應變傳感需求，為未來進一步構建高靈敏、多模式海洋傳感材料提供了設計思路。相關研究成果以Salt-Adaptively Conductive Ionogel Sensor for Marine Sensing為題，發表在Small(DOI:10.1002/smll.202305848)上。研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金、寧波市重點研發計劃和寧波市自然科學基金等的支持。
導電凝膠的鹽適應結構與海洋傳感應用
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