Advanced Materials:可水下通信的光学伪装离子凝胶

近年来,人们利用具有柔软性、可拉伸性和生物相容性的凝胶或弹性体,开发出了各种能够感知刺激和传输信息的智能人机界面,但是,水凝胶或弹性体的功能性通常易受水分子的影响,因此这些传感器大多数只能在大气环境中使用。由于海洋中存在巨量的资源及其特殊的军事战略地位,近几十年来海洋勘探开发越来越受到人们的关注。为了满足各类海洋探测和军事的需要,开发一种能够在各种水环境中有效工作,并能够隐秘传递信息的智能人机界面变得越来越重要。然而,目前基于凝胶或弹性体开发的各类柔性传感器,在水环境中难以满足自粘附、自修复、光学透明性和稳定导电性的要求。

武培怡教授课题组近年来一直致力于柔性传感器的开发与多功能应用,实现了仿生离子皮肤传感器的自修复特性(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321),双模式感知及广谱可调的力学性质(Nat. Commun. 2018, 9, 1134),光学和电学性质的同步响应(ACS Nano, 2018, 12, 12860),集成温度、湿度、应力和应变多重感知功能的离子皮肤(Mater. Horiz. 2019, 6, 538),提出分子协同策略优化了本征可拉伸导体的力学性能以及实现对液体分子的感知功能(Nat. Commun. 2019, 10, 3429),制备了基于可食用面团和口香糖的离子皮肤传感器(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018., ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5, 6731–6738),可感知多种外界刺激的弹性水凝胶微纤维(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910387),以及具有诊疗功能的仿生离子皮肤(Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020)等。

近日,复旦大学武培怡教授课题组利用含氟聚离子液体(PIL)与离子液体(IL)之间的离子-偶极和离子-离子相互作用,开发了一种高度透明、可拉伸、水下可粘附、水下可自愈、高导电性并且可3D打印的离子凝胶。该离子凝胶通过简单的将一种含氟离子液体单体在另一种含氟离子液体中聚合制备而得。由于聚离子液体(PIL)与离子液体(IL)的高相容性,离子凝胶在水环境中具有很高的透明性,并且PIL与IL之间的离子-偶极和离子-离子相互作用赋予了离子凝胶拉伸性能。通过调节聚合物网络的动态相互作用,离子凝胶的模量和断裂伸长率可以在很宽的范围内进行调节。因为C-F键是弱的氢键供体和受体,离子凝胶在水环境中甚至在强酸、强碱、强盐溶液中都能消除水分子的干扰,实现自修复,并且具有粘附性。基于离子凝胶优异的性能,制备了一种视觉上不易察觉的水下柔性传感器。离子凝胶柔性传感器可以在水环境中实现光学隐身、对人体运动进行检测以及可以实现水下通信。此外,还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。利用这种非接触式传感机制可以实现水环境变化的检测、物体识别、信息传递以及人体站立姿势的识别等功能。更重要的是,这种非接触式传感方式可以避免由于形变等因素引起的疲劳和物理损伤。

这项工作拓展了柔性传感器的应用环境,并在海洋环境中的不易察觉软机器人和监视设备等领域具有巨大的应用潜力。该工作近期以“Underwater Communication and Optical Camouflage Ionogel”为题,发表在《Advanced Materials》。该项研究工作的通讯作者为武培怡教授,第一作者为复旦大学博士生于振川。

论文信息:

Underwater Communication and Optical Camouflage Ionogels

Zhenchuan Yu, Peiyi Wu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202008479

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008479

AM

《先进材料》(Advanced Materials)是一本超过30年历史,由Wiley出版发行的材料科学类知名权威期刊。期刊聚焦功能材料在化学、物理、生物等各项领域及相关交叉学科的前沿进展,影响力广泛。最新影响因子为27.389,中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。