Advanced Functional Materials:乘风“测”浪-自发电型电化学碳纳米管水下压力传感器

在海洋探索活动中,波浪监测对于潮汐观测、水下航行、海洋生物迁徙追踪、海底地震侦测等水下活动监测均具有至关重要的作用。尽管全球定位系统已广泛应用于各类陆地环境地质监测,但电磁波交互工作机制却限制了其在波浪监测领域的应用。目前,波浪监测须依赖先进的压力传感器来获取包括水压变化、波浪高度及波浪速度等多种关键参数信息。然而,受限于工作机制,当前的压力传感器在水下压力监测过程中存在灵敏度低、压力探测范围小、防水性能差、能源消耗高、低频波浪探测不灵敏等问题。因而,亟须开发基于全新工作原理的水下压力传感器,以克服该领域所面临的上述瓶颈问题。

近日,华中科技大学材料学院徐鸣教授团队与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校的合作者首次提出基于电化学压力响应的水下压力探测机制。该类压力传感器以海水作为电解液,无须封装,可直接应用于水中,其探测精度相较目前最先进的水下压力探测器提升了一个数量级。

论文中,研究团队从制备、传感性能、传感机理等方面对此类全新的水下压力传感器进行了详细阐述。首先,研究者们创新性地结合了离子反应刻蚀法和水助化学气相沉积法,制备非阵列碳纳米管材料以降低碳纳米管管间聚集,最大程度地提升了该材料在电解液(即海水)中的电化学可接触面积;再施以机械牵伸获得具有纳米凹槽结构的高度取向型碳纳米管薄膜,并将其对折作为核心传感元件组装于压力传感器中。当外部水压发生变化时,该材料内表面的纳米凹槽会因水压的作用及释放发生相互嵌实及脱离,从而使电化学可接触面积发生相应变化,以产生压力诱导-电化学电势变化;在外部机械能通过电化学机制转化为电能的同时,发出响应于水下压力变化的电信号。

此类电化学压力传感器在工作过程中无需外部电源供电,可监测低至1毫米、高至30米的波浪变化,监测范围几乎可涵盖地球上所有的海洋波浪运动;且在4-60℃的温度范围及0.1-5 mol/L的盐度区间内保持优异的压力传感性能。更值得一提的是,由于传感机制的革新,该类水下压力传感器可探测低至0.01赫兹的水下活动;而水下低频探测正是一直困扰该领域的难题。结合超高灵敏度及快速响应等特性,该类水下压力传感器将在海洋波浪监测领域展现出巨大的应用前景。 研究者相信,该研究为实现水下压力传感在精度、探测范围的提升及低频水下活动探测等一系列技术突破提供了全新策略。相关论文在线发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202004564)。