Small：用于海洋传感的盐自适应离子导电凝胶传感器

一、【导读】

海洋环境的广泛多样性和复杂性使得海洋科学家和工程师面临着巨大的挑战。与陆地环境或大气条件下不同，海洋中存在着极端的湿度、压力、盐度等环境参数，这对于在其中运行的机器人和传感器提出了严峻的要求。传感器的性能必须在这种特殊的水下环境下保持稳定，以确保科学家们能够获取准确、可靠的数据。虽然柔软材料和基于凝胶的传感器因其适应性和可伸缩性而备受关注，但它们常常受到水下条件的干扰，如凝胶膨胀和离子扩散。为了解决这些问题，科研人员已经付出了大量努力，通过采用防水膜等方法隔离传感器和环境水，以提高抗水性。此外，利用含水疏水性导电离子液体制备的离子凝胶传感器在水下环境中表现出卓越的稳定性，消除了水分子的干扰。然而，自然水域中的盐溶液依然对裸露的离子凝胶传感器的性能产生负面影响，因此提高其导电性成为解决之道之一。因此，不断改进和创新的传感技术，尤其是具有高导电性和水下稳定性的离子凝胶传感器，对于推动海洋科学研究和监测的准确性和可靠性具有重要意义，尽管充满挑战，但也充满了前景和希望。

二、【成果掠影】

近期，中科院宁波材料所陈涛研究员团队报道了一种高度适应盐水环境且具有高海下应变敏感性的盐适应性导电离子凝胶。基于质子传导机制的初步改进，该离子凝胶的导电性在周围盐度升高时进一步增加，这是由盐诱导的离子解离现象引起的，被描述为环境盐适应性特征。在海水中，该离子凝胶的导电性高达2.90×10^-1S m^-1。值得注意的是，由于其长期水下稳定性和附着性，基于该离子凝胶的传感器具有杰出的应变感应性能（应变增益：1.12），可与海洋环境中的各种柔性执行器结合使用。该离子凝胶传感器能够监测人类呼吸频率、人类动作以及柔性执行器的运动，展示了其在潜水检测和用于海洋环境保护和探索的智能感知柔性机器人领域的巨大潜力。相关成果以“Salt-Adaptively Conductive Ionogel Sensor for Marine Sensing”为题发表在Small上。本文通讯作者为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，魏俊杰博士和宁波市第一医院整形修复重建外科魏鹏主任医师。

三、【核心创新点】

这项创新性研究开发了一种具有高度适应盐水环境和卓越应变感应性能的离子凝胶传感器，为海洋环境监测和智能柔性机器人技术提供了新的前景。

四、【数据概览】

图1. 盐适应性导电离子凝胶的示意图，用于海下感知。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 盐适应性导电离子凝胶（SDG）改进的盐适应性导电机制。

B) 在空气和海水中工作的盐适应性传感器的示意图，显示了信号增强。

图2. 盐适应性离子凝胶的疏水性和机械性能。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 具有不同PCM和SiO₂NPs含量的系列离子凝胶的接触角测量。

B) 具有不同PCM和SiO₂NPs含量的离子凝胶的膨胀行为。

C) 聚合物和SiO₂NPs在盐水中浸泡前后的疏水聚集示意图。

D) 在3 wt% NaCl溶液中浸泡的离子凝胶的接触角变化。

E) 具有不同PCM和SiO₂NPs含量的离子凝胶的拉伸曲线。

F) 具有不同SiO₂NPs含量的离子凝胶的机械性能。

G) 在水下与各种基材之间的强附着的数字图像。

H) 具有各种基材的离子凝胶在水下的剥离曲线。

I) SDG与基材之间的附着机制。

图3. SDG的导电性能。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 示意图说明了SDG中改进的盐适应性导电性。

B) 质子传导机制中的质子传输路径的示意图。

C) 空气中不同PCM含量的离子凝胶的电导率。

D) 在盐水溶液中SDG的盐诱导解离的示意图。

E) SDG在盐水溶液中的电导率变化。

F) 在3 wt% NaCl溶液中浸泡时SDG电导率的变化。

G) 密度泛函理论（DFT）分析所得的结合能。

图 4. 基于SDG的传感器的感应性能。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 空气条件下SDG基传感器在一系列应变下的相对电阻率。

B) 在3 wt% NaCl溶液中，SDG基传感器在一系列应变下的相对电阻率。

C) SDG基传感器在一系列环境中在30%应变下的相对电阻率比较。

D) 空气中SDG基传感器在分段应变区域的应变增益。

E) 海水中SDG基传感器在分段应变区域的应变增益。

F) 拉伸应变-时间曲线和相对电阻率-时间曲线。

G) 空气中和导电性盐水溶液中SDG基传感器的模拟电路。

H) SDG基传感器的应变增益与不同盐水溶液中的电导率之间的关系。

图 5. 基于SDG的传感器在海洋环境中用于监测呼吸频率、人类和鱼类运动以及水下通信的应用。© 1999-2023 John Wiley & Sons, Inc.

A) 不同空气流速下SDG基传感器的相对电阻率变化。

B) 不同呼吸频率下SDG基传感器的相对电阻率变化。

C) 用于人类机器人体运动检测的SDG基传感器的示意图和相对电阻率变化。

D) 用于鱼类机器人体运动检测的SDG基传感器的示意图和相对电阻率变化。

E) 基于莫尔斯电码的水下通信的示意图。

F) "SOS"、G) "UP" 和 H) "DOWN" 的电阻信号。

五、【成果启示】

总之，通过简单的一步聚合法成功制备了一种具有高海下应变敏感性的环境盐适应性导电离子凝胶。为了提高离子凝胶在海洋环境中的传感性能，通过质子传导机制与盐诱导解离的协同作用，增加了离子凝胶的导电性。质子传导通过在PCM聚合物链上具有─SO₃H基团的区域创建了质子传输的捷径，从而提高了离子传输速率。同时，由于离子凝胶内部阳离子([BMIm]⁺)与周围盐水溶液中的Cl⁻之间的强吸引力，离子凝胶中的离子对解离增加，增加了自由离子的数量，从而改善了盐适应性导电性。在盐水中制备的离子凝胶的电导率比不含PCM链的离子凝胶高出数个数量级。更重要的是，高电导率使得离子凝胶在海水中占据传感电路的主导地位。具体而言，基于离子凝胶的传感器由于其出色的疏水性和附着性能，实现了对海洋环境中各种柔性执行器的精确应变传感，包括海洋生物和柔性机器人。同时，独立的离子凝胶传感器可以用作潜水员的呼吸监测器和水下通信器，提高了潜水员的安全性。这些结果有望为开发高度敏感、多模式传感的离子凝胶提供有前景的策略，可用于设计柔性传感器和在低可见度的海洋环境中感知智能柔性执行器。

原文详情：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