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  許多海洋動物（如柳葉鰻、水母等）其組織和器官主要由透明凝膠組成。它們能夠?qū)⒆陨砣谌牒Ｑ蟓h(huán)境中，以降低被捕食者發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險。由于海洋中存在巨量的資源及其特殊的軍事戰(zhàn)略地位，近幾十年來海洋勘探開發(fā)越來越受到人們的關(guān)注。為了滿足各類海洋探測和軍事的需要，開發(fā)一種能夠模擬海洋動物功能，即可以在各種水環(huán)境和海洋環(huán)境中無視覺障礙地工作，并能夠隱秘傳遞信息的智能人機界面變得越來越重要。近年來，雖然人們利用具有柔軟性、可拉伸性和生物相容性的凝膠或彈性體，開發(fā)出了各種能夠感知刺激和傳輸信息的智能人機界面，但是這些傳感器在水環(huán)境中難以滿足自粘附、自修復(fù)、光學(xué)透明性和穩(wěn)定導(dǎo)電性的要求。如何開發(fā)一種能夠結(jié)合水下粘附性、水下自修復(fù)、可拉伸、光學(xué)透明和導(dǎo)電的材料是水下人機界面面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

  武培怡教授課題組近年來一直致力于柔性傳感器的開發(fā)與多功能應(yīng)用，實現(xiàn)了仿生離子皮膚傳感器的自修復(fù)特性(Adv. Mater. 2017, 29, 1700321)，雙模式感知及廣譜可調(diào)的力學(xué)性質(zhì)(Nat. Commun. 2018, 9, 1134)，光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的同步響應(yīng)(ACS Nano, 2018, 12, 12860)，集成溫度、濕度、應(yīng)力和應(yīng)變多重感知功能的離子皮膚(Mater. Horiz. 2019, 6, 538)，提出分子協(xié)同策略優(yōu)化了本征可拉伸導(dǎo)體的力學(xué)性能以及實現(xiàn)對液體分子的感知功能(Nat. Commun. 2019, 10, 3429)，基于可食用面團和口香糖的離子皮膚傳感器(Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1908018., ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5, 6731–6738)，可感知多種外界刺激的彈性水凝膠微纖維（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910387），以及具有診療功能的仿生離子皮膚（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020）等。

  近日，武培怡教授課題組利用含氟聚離子液體（PIL）與離子液體（IL）之間的離子-偶極和離子-離子相互作用，設(shè)計了一種高性能的離子凝膠。疏水性動態(tài)粘彈性網(wǎng)絡(luò)賦予了離子凝膠光學(xué)透明性、可調(diào)節(jié)的力學(xué)性能、水下自愈合能力、水下粘附性、導(dǎo)電性和可3D打印的能力。基于離子凝膠優(yōu)異的性能，制備了一種視覺上不易察覺的水下柔性傳感器。該傳感器可以實現(xiàn)光學(xué)偽裝、人體運動檢測和水環(huán)境中的無障礙通信。提出了一種基于改變電子傳遞路徑的新型非接觸傳感機制，實現(xiàn)了水環(huán)境變化檢測、物體識別、信息傳遞、人體站立姿勢識別等功能。更重要的是，離子凝膠傳感器可以避免傳感過程中的疲勞和物理損傷。

圖1. 離子凝膠的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的示意圖。

圖2. 離子凝膠可調(diào)的力學(xué)性能以及水下自修復(fù)性能。

  由于PIL與IL的高相容性，離子凝膠在可見光下表現(xiàn)出高度透明，幾乎不可察覺。通過改變IL的摩爾含量，可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)離子凝膠的力學(xué)性能和離子電導(dǎo)率。由于氟的高電負性和C-F鍵的強靜電性質(zhì)，使得PIL和IL都是非常差的氫鍵供體和受體，因此離子凝膠能有效地消除水分子的干擾，保持內(nèi)部的離子-偶極和離子-離子相互作用，實現(xiàn)水下修復(fù)。

圖3. 離子凝膠的水下粘附性能。

  為了獲得可靠、穩(wěn)定的信號，柔性傳感器應(yīng)牢固地附著在皮膚或其他基底上。然而，在水環(huán)境中，由于水分子會在基材表面形成水合層，使得實現(xiàn)水下附著仍然是一個重大挑戰(zhàn)。在該工作中，利用PIL和IL中陰離子（TFSI-）的疏水性，可以破壞水合層屏障，離子凝膠能在水環(huán)境中甚至在強酸、強堿、強鹽溶液中實現(xiàn)快速、強力粘附，粘附強度高達681±35 kPa。

圖4. 離子凝膠傳感器的傳感性能。

  由于具有很強的自粘附性和可拉伸性，離子凝膠傳感器能夠動態(tài)地適應(yīng)人體皮膚在運動過程中的變化，從而實現(xiàn)對人體運動的實時監(jiān)測。不論在空氣中還是在水下，離子凝膠都能對手指的彎曲、釋放進行檢測，并能通過摩斯碼傳遞信息。除了對于大應(yīng)變的響應(yīng)外，離子凝膠傳感器對于諸如面部表情的微小變化、人體吞咽唾液以及呼吸過程等人體的細微運動也有極好的響應(yīng)。

圖5. 離子凝膠傳感器的無接觸傳感性能。

  除了檢測基于形變的信號變化外，離子凝膠傳感器還可以通過改變電子傳輸路徑的方式實現(xiàn)非接觸式傳感和隱秘信息傳遞。將離子凝膠傳感器放置在水下，當人體或其他物體接觸水面時，傳感器和接觸點之間產(chǎn)生電位差，使得電流通過人體流向地面，從而減少了通過傳感器的電子數(shù)量，導(dǎo)致了測量出的電阻增大。通過這種新型傳感機制離子凝膠傳感器可以用來感知手進入水中、識別物體，甚至識別人體的站立姿勢，同時這種非接觸式傳感方式賦予了離子凝膠傳感器具有良好的抗疲勞性能。

  以上研究成果近期以“Underwater Communication and Optical Camouflage Ionogel”為題，發(fā)表在《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202008479）上。復(fù)旦大學(xué)先進材料實驗室博士生于振川為文章第一作者，通訊作者為武培怡教授。該課題得到了國家自然科學(xué)基金重點項目(51733003)等項目的資助與支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202008479