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?武培怡团队《AM》:用于水下通信和伪装的离子凝胶
2021年05月08日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

一些海洋动物(例如鳗鱼幼体和水母)可以感知外部刺激并自然地融入背景环境之中,以减少被捕食者发现的风险,这归功于它们的器官和组织主要由透明的凝胶所构成。近几十年来,由于其丰富的资源和特殊的军事战略地位,人们勘探和开发海洋的活动日益频繁。为满足海洋勘探和军事的需求,开发能够模仿透明海洋动物,在不阻隔光线传播的情况下工作,并且可以在各种水域和海洋环境中秘密传递信息的智能人机界面,已然成为了至关重要且具有挑战性的研究课题中国化工网okmart.com。通过利用凝胶或弹性体的柔软性、可拉伸性和生物相容性,人们探索了各种智能人机界面,例如可以感应刺激并传输信息的柔性传感器。但是,水凝胶或弹性体的功能性通常易受水分子的影响,因此这类传感器仅限于在大气环境中工作。制造可在水下工作的光学迷彩柔性传感器仍然具有挑战性。一方面,传感器要能牢固地附着在皮肤或其他基底上,以便获得可靠和稳定的信号。然而,在水生环境中实现强粘接仍然是巨大的挑战。水分子会在基材表面上形成阻隔,以防止粘合剂与基材之间的接触,从而大幅降低甚至消除了粘合剂的粘接强度。针对这个问题,研究人员已经提出了几种策略,例如利用邻苯二酚基团和疏水性聚合物来设计水下粘合剂。但是,一些常见的问题,例如pH敏感性、氧化导致的粘合力下降、低粘接强度以及有机溶剂泄漏风险等,都会阻碍这些粘合剂的实际应用。另一方面,由于水分子的作用,原本可以大幅提高柔性设备可靠性、安全性和抗疲劳能力的自愈合能力将在水生环境中丧失。水分子可以充当氢键的供体和受体并溶解离子,从而破坏传感器的自愈合特性。尽管可以通过几种方法实现水下自我修复能力,例如硼酸衍生物,邻苯二酚基团和含有疏水性弹性体的氢键聚合物,但它们容易受到pH值变化的影响或容易在水中溶胀。最近的研究报道了基于氢键和偶极相互作用的水下自修复弹性体,但它们的导电性很差。为了满足电子传感器正常工作的需求,研究人员将液态金属或银薄片掺入材料以改善导电性,但这种做法损失了材料的透明性。综上所述,开发一种能够结合水下粘接、水下自愈合能力、可拉伸性、光学透明性和导电性的材料是水中人机界面目前面临的主要挑战。由于氟原子的强电负性、低极化率,氟原子的范德华半径较小,形成的C-F键较强,所以含氟聚合物具有较低的表面能、较低的吸湿性、较高的耐热性和耐化学性。由于C-F键是很差的氢供体和受体,含氟聚合物可以消除水分子的干扰,这使得其在水下的应用成为可能。尽管研究人员已经发展了基于含氟聚合物的弹性导体,用于可拉伸的电子设备,但是它们尚未实现水下传感器所需的多种功能的集成。

鉴于此,复旦大学武培怡教授团队开发了一种透明、可水下粘接、水下自愈合、可拉伸、可3D打印的具有高离子电导率离子凝胶,可用于制造水下柔性传感器。作者将一种富氟离子液体单体在另一种富氟离子液体中进行一步聚合,通过离子-偶极和离子间相互作用轻易地制备出离子凝胶。基于此,作者开发出了一种质地柔软且肉眼难以察觉的水下柔性传感器。该离子凝胶传感器可以实现在水环境中的光学迷彩、人体运动检测和交流。此外,作者还提出了一种基于电子传输路径变化的新型非接触式传感机制。通过该离子凝胶传感器,可以检测水环境变化、识别物体、传递信息,甚至识别人体的站立姿势。该离子凝胶在海洋环境中的秘密信息传输和隐蔽监视设备领域蕴含着巨大的潜力。该研究以题为“Underwater Communication and Optical Camouflage Ionogels”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。


文章亮点:

1、由于C-F键是非常差的氢供体和受体,因此该离子凝胶可以消除水分子的干扰,并在水环境中甚至在强酸、强碱和盐溶液(Ph=0~14)中实现自愈合和粘接。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能从82.81 MPa和4.25%调整到815 kPa和1400%。

2、作者基于离子凝胶,设计了一种质地柔软的光学迷彩传感器,可以在空气和水环境中实现人体运动的检测和通过莫尔斯电码进行信息传输。通过改变电子传输路径,该离子凝胶传感器可用于感应手进入水中、识别物体,甚至识别人体站立姿势。另外,长期稳定性实验证实该离子凝胶传感器在5000s内能保持产生信号的稳定性。

3、作者提出的新型非接触式感应模式可以避免由于变形或其他因素引起的疲劳和物理损伤,回避了传统柔性传感器中可能存在的疲劳问题。另外,由于所得离子液体聚合物与溶剂离子液体的高度混溶性,该离子凝胶在水环境中呈现出高度透明的状态。这赋予了该离子凝胶在海洋环境中的秘密信息传输和隐蔽监视设备领域的潜在应用。

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图1 离子凝胶的结构示意图以及可广泛调节的力学性能

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图2 离子凝胶的透光性、应力-应变曲线、导电性以及自愈合性能的表征

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图3 离子凝胶在不同溶液中的粘接性能、重复粘接性能以及不同组分对粘接性能的影响

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图4 通过离子凝胶传感器阻值变化检测人体各部位的变形,如关节弯曲、皱眉、吞咽、呼吸,并可通过识别摩斯电码进行水下交流

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图5 通过该离子凝胶传感器进行非接触式水下信息传输


标签:化工应用技术中心今日头条精细化学品聚合物塑料塑料助剂涂料与油漆
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