【科研摘要】

诸如小脑和水母之类的海洋动物可以感知外部刺激并在水生环境中实现光学伪装。制造可以模仿透明海洋动物的能力并在水下起作用的智能软传感器，可以在各种新颖领域中实现变革性的应用。但是，以前报道的软传感器很难满足在水生环境中的附着力，自我修复能力，光学透明性和稳定的电导率的要求。

最近， 复旦大学 武培怡教授 团队 通过富氟聚（离子液体）和 离子液体之间的离子偶极和离子 -离子相互作用，设计了高性能离子凝胶。 疏水性动态粘弹性网络为离子凝胶提供了出色的性能，包括光学透明性，可调节的机械性能，水下自我修复能力，水下粘附性，导电性和3D可 打印 性。 团队 开发了一种基 于离子凝胶的机械柔顺和视觉上不可见的水下软传感器。该传感器可以在水生环境中实现光学伪装，人体运动检测和无障碍通信。 提出了一种基于改变电子传输路径的新型非接触式传感机制。可以实现一些有趣的功能，例如检测水环境的变化，识别物体，传递信息，甚至可以识别人的站立姿势。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坏。相关论文以题为 Underwater Communication and Optical Camouflage Ionogels 发表在《 A dvanced Materials 》上。

【主图导读】

图1 离子凝胶的结构和广谱力学性能的示意图。

图2 a）在可见光波长范围内具有不同厚度的离子凝胶的透射率。插图： 离子凝胶 的照片。b）IL摩尔百分比为20％，30％和40％的离子凝胶的真实拉伸应力-应变曲线。c）具有不同摩尔百分数的IL的离子凝胶的离子电导率。d）离子凝胶的水下自我修复过程的照片。e）在不同介质中原始样品和已修复样品的真实拉伸应力-应变曲线。

图3 a）离子凝胶（由Sudan II染色）在以下情况下的水下粘合性能：i）玻璃，ii）聚丙烯（PP），iii）铝和iv）木材。b）两片玻璃被离子凝胶粘合后的粘合面积为2.5 cm 2 的照片。c）粘合玻璃可以在水生环境中举起5千克重物。d）在水生环境中，玻璃的剪切剪切曲线和e）不同IL含量的离子凝胶的附着强度。f）对于不同溶液的玻璃，IL摩尔百分比为40％的离子凝胶的搭接剪切曲线和g）粘合强度。h）离子凝胶在水生环境中对玻璃的重复粘附能力（IL摩尔百分比为40％）。i）在水生环境中，IL摩尔百分比为40 ％的离子凝胶对不同底物的粘附强度。 j）与文献中报道的其他粘合剂相比， 离子凝胶 的水下粘合性能。

图4 a）用于通过变形检测人体运动的离子凝胶传感器的示意图。b） 离子凝胶 传感器可以通过电阻变化实时监控手指的不同弯曲角度。c，d）离子凝胶传感器可以监测手指在空中（c）和水下（d）的弯曲释放运动。e，f，j）离子凝胶传感器安装在前额（e），喉咙（f）和腹部（j）上，以检测人体的细微运动，例如面部表情，吞咽唾液和呼吸。h）离子凝胶传感器的示意图显示了在水生环境中通过摩尔斯电码进行的通讯。i）摩尔斯电码示意图。j，k）离子凝胶传感器通过莫尔斯电码在空中（j）和水下（k）进行通信。

图5 a）在水生环境中用于非接触式信息传输的离子凝胶传感器的示意图。b）传感器可以监控进入水中的手的运动。c）传感器可以监控进入水中的手指的数量。d）传感器通过电阻的变化识别物体。e）标尺的进入位置（深，浅，正面或背面）不影响电阻变化。f）传感器可以监视人体的站立姿势。g，h）用手指触摸水以在去离子水（g）和3.5 wt％的NaCl溶液（h）中传输信息。i）传感器检测的长期稳定性。j）离子凝胶传感器5000 s的循环稳定性测试。插图是在0–10 s和4990–5000 s中相对电阻变化的放大信号 。

【总结】

基于富氟聚（离子液体）和离子液体之间的离子偶极和离子 -离子相互作用，设计了一种具有广泛机械性能的离子凝胶。 通过调整网络的动态相互作用，可以轻松地将离子凝胶的杨氏模量和拉伸性从82.81 MPa和4.25％调整到815 kPa和1400％。在0–14的pH范围内，可以实现出色的水下自愈能力和水下附着力。 基于离子电镜设计了一种机械柔顺的光学迷彩传感器。可以在空气和水生环境中实现对人体运动的检测和通过莫尔斯电码的信息传输。通过改变电子传输路径，离子凝胶传感器可用于感应手进入水中，识别物体，甚至识别人体的站立姿势。 非接触式感应模式使离子凝胶传感器具有出色的抗疲劳性能。离子凝胶在海洋环境中的秘密信息传输和不显眼的监视设备领域显示出巨大的潜力。

参考文献 ： doi.org/10.1002/adma.202008479

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【往期经典】

【1】香港中文大学边黎明《Mater. Horiz.》超分子水凝胶网络中的微观局部硬化可加快3D和骨骼再生中的干细胞机械感测

【2】北化万鹏博/郑大代坤《AFM》耐环境的导电纳米复合有机水凝胶作为柔性应变传感器和可持续电子产品的电源

【3】复旦大学梅永丰《Science子刊》自驱动+智能（光/热/电/湿/pH）的水凝胶水黾机器人

【4】UCLA贺曦敏《AM》可调节的类似海绵的分层多孔水凝胶，同时具有增强的扩散性和机械性能