一、用于海洋傳鹽自【導讀】?

海洋環境的感的感器廣泛多樣性和復雜性使得海洋科學家和工程師面臨著巨大的挑戰。與陸地環境或大氣條件下不同，離導海洋中存在著極端的電凝濕度、壓力、膠傳鹽度等環境參數，材料這對于在其中運行的用于海洋傳鹽自機器人和傳感器提出了嚴峻的要求。傳感器的感的感器性能必須在這種特殊的水下環境下保持穩定，以確保科學家們能夠獲取準確、離導可靠的電凝數據。雖然柔軟材料和基于凝膠的膠傳傳感器因其適應性和可伸縮性而備受關注，但它們常常受到水下條件的材料干擾，如凝膠膨脹和離子擴散。用于海洋傳鹽自為了解決這些問題，感的感器科研人員已經付出了大量努力，離導通過采用防水膜等方法隔離傳感器和環境水，以提高抗水性。此外，利用含水疏水性導電離子液體制備的離子凝膠傳感器在水下環境中表現出卓越的穩定性，消除了水分子的干擾。然而，自然水域中的鹽溶液依然對裸露的離子凝膠傳感器的性能產生負面影響，因此提高其導電性成為解決之道之一。因此，不斷改進和創新的傳感技術，尤其是具有高導電性和水下穩定性的離子凝膠傳感器，對于推動海洋科學研究和監測的準確性和可靠性具有重要意義，盡管充滿挑戰，但也充滿了前景和希望。

二、【成果掠影】

近期，中科院寧波材料所陳濤研究員團隊報道了一種高度適應鹽水環境且具有高海下應變敏感性的鹽適應性導電離子凝膠。基于質子傳導機制的初步改進，該離子凝膠的導電性在周圍鹽度升高時進一步增加，這是由鹽誘導的離子解離現象引起的，被描述為環境鹽適應性特征。在海水中，該離子凝膠的導電性高達2.90×10^-1S m^-1。值得注意的是，由于其長期水下穩定性和附著性，基于該離子凝膠的傳感器具有杰出的應變感應性能（應變增益：1.12），可與海洋環境中的各種柔性執行器結合使用。該離子凝膠傳感器能夠監測人類呼吸頻率、人類動作以及柔性執行器的運動，展示了其在潛水檢測和用于海洋環境保護和探索的智能感知柔性機器人領域的巨大潛力。相關成果以“Salt-Adaptively Conductive Ionogel Sensor for Marine Sensing”為題發表在Small上。本文通訊作者為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陳濤研究員，魏俊杰博士和寧波市第一醫院整形修復重建外科魏鵬主任醫師。

?三、【核心創新點】

這項創新性研究開發了一種具有高度適應鹽水環境和卓越應變感應性能的離子凝膠傳感器，為海洋環境監測和智能柔性機器人技術提供了新的前景。

四、【數據概覽】

圖1. 鹽適應性導電離子凝膠的示意圖，用于海下感知。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 鹽適應性導電離子凝膠（SDG）改進的鹽適應性導電機制。

B) 在空氣和海水中工作的鹽適應性傳感器的示意圖，顯示了信號增強。

圖2. 鹽適應性離子凝膠的疏水性和機械性能。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 具有不同PCM和SiO₂NPs含量的系列離子凝膠的接觸角測量。

B) 具有不同PCM和SiO₂NPs含量的離子凝膠的膨脹行為。

C) 聚合物和SiO₂NPs在鹽水中浸泡前后的疏水聚集示意圖。

D) 在3 wt% NaCl溶液中浸泡的離子凝膠的接觸角變化。

E) 具有不同PCM和SiO₂NPs含量的離子凝膠的拉伸曲線。

F) 具有不同SiO₂NPs含量的離子凝膠的機械性能。

G) 在水下與各種基材之間的強附著的數字圖像。

H) 具有各種基材的離子凝膠在水下的剝離曲線。

I) SDG與基材之間的附著機制。

圖3. SDG的導電性能。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 示意圖說明了SDG中改進的鹽適應性導電性。

B) 質子傳導機制中的質子傳輸路徑的示意圖。

C) 空氣中不同PCM含量的離子凝膠的電導率。

D) 在鹽水溶液中SDG的鹽誘導解離的示意圖。

E) SDG在鹽水溶液中的電導率變化。

F) 在3 wt% NaCl溶液中浸泡時SDG電導率的變化。

G) 密度泛函理論（DFT）分析所得的結合能。

圖 4. 基于SDG的傳感器的感應性能。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 空氣條件下SDG基傳感器在一系列應變下的相對電阻率。

B) 在3 wt% NaCl溶液中，SDG基傳感器在一系列應變下的相對電阻率。

C) SDG基傳感器在一系列環境中在30%應變下的相對電阻率比較。

D) 空氣中SDG基傳感器在分段應變區域的應變增益。

E) 海水中SDG基傳感器在分段應變區域的應變增益。

F) 拉伸應變-時間曲線和相對電阻率-時間曲線。

G) 空氣中和導電性鹽水溶液中SDG基傳感器的模擬電路。

H) SDG基傳感器的應變增益與不同鹽水溶液中的電導率之間的關系。

圖 5. 基于SDG的傳感器在海洋環境中用于監測呼吸頻率、人類和魚類運動以及水下通信的應用。? 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 不同空氣流速下SDG基傳感器的相對電阻率變化。

B) 不同呼吸頻率下SDG基傳感器的相對電阻率變化。

C) 用于人類機器人體運動檢測的SDG基傳感器的示意圖和相對電阻率變化。

D) 用于魚類機器人體運動檢測的SDG基傳感器的示意圖和相對電阻率變化。

E) 基于莫爾斯電碼的水下通信的示意圖。

F) "SOS"、G) "UP" 和 H) "DOWN" 的電阻信號。

五、【成果啟示】

總之，通過簡單的一步聚合法成功制備了一種具有高海下應變敏感性的環境鹽適應性導電離子凝膠。為了提高離子凝膠在海洋環境中的傳感性能，通過質子傳導機制與鹽誘導解離的協同作用，增加了離子凝膠的導電性。質子傳導通過在PCM聚合物鏈上具有─SO₃H基團的區域創建了質子傳輸的捷徑，從而提高了離子傳輸速率。同時，由于離子凝膠內部陽離子([BMIm]⁺)與周圍鹽水溶液中的Cl^?之間的強吸引力，離子凝膠中的離子對解離增加，增加了自由離子的數量，從而改善了鹽適應性導電性。在鹽水中制備的離子凝膠的電導率比不含PCM鏈的離子凝膠高出數個數量級。更重要的是，高電導率使得離子凝膠在海水中占據傳感電路的主導地位。具體而言，基于離子凝膠的傳感器由于其出色的疏水性和附著性能，實現了對海洋環境中各種柔性執行器的精確應變傳感，包括海洋生物和柔性機器人。同時，獨立的離子凝膠傳感器可以用作潛水員的呼吸監測器和水下通信器，提高了潛水員的安全性。這些結果有望為開發高度敏感、多模式傳感的離子凝膠提供有前景的策略，可用于設計柔性傳感器和在低可見度的海洋環境中感知智能柔性執行器。

原文詳情：Li, H., Li, L., Wei, J., Chen, T., Wei, P., Salt-Adaptively Conductive Ionogel Sensor for Marine Sensing. Small 2023, 2305848. https://doi.org/10.1002/smll.202305848