海洋是一個巨大而神秘的寶藏，人們對于海洋的探索與開發(fā)從未停止。潛水是探索海洋的重要方式之一，但復(fù)雜多變的水下環(huán)境潛藏著各種各樣的危險，甚至威脅到潛水員的生命安全。水下通訊困難的問題使得潛水員在遭遇突發(fā)狀況時難以及時求救，進(jìn)一步增大了海洋勘探的風(fēng)險。如果能發(fā)展出可用于水下的可穿戴傳感與通訊技術(shù)，實現(xiàn)對潛水過程的實時監(jiān)測以及高效的水下通訊，將有利于提高海洋勘探效率和保障水下作業(yè)安全。

在諸多可穿戴傳感材料中，離子導(dǎo)電凝膠材料由于其良好的生物相容性、力學(xué)匹配性與可修飾性，被認(rèn)為是一種理想的候選材料，已被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動感知、健康監(jiān)測等領(lǐng)域的研究。然而，離子導(dǎo)電凝膠材料的水下應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)，這主要是因為：(1)離子導(dǎo)電凝膠在水環(huán)境中會出現(xiàn)吸水溶脹現(xiàn)象，導(dǎo)致力學(xué)性能與導(dǎo)電性能的不穩(wěn)定；(2)離子導(dǎo)電凝膠中的導(dǎo)電離子在水環(huán)境中會擴(kuò)散流失，導(dǎo)致導(dǎo)電與傳感能力的逐漸喪失。因此，賦予離子導(dǎo)電凝膠材料必要的水下抗溶脹能力與防離子流失能力對于實現(xiàn)離子導(dǎo)電凝膠材料的水下長期穩(wěn)定、發(fā)展可穿戴水下傳感技術(shù)具有重要意義。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊研究員陳濤近年來致力于柔性可穿戴傳感材料與智能高分子水凝膠的研究?；谶@兩方面的研究基礎(chǔ)，該團(tuán)隊近期和浙江省之江實驗室教授鄭音飛合作，利用疏水界面對水分子和導(dǎo)電離子的擴(kuò)散屏障功能，開發(fā)出一種具有水下長期穩(wěn)定性的全疏水離子液體凝膠材料，并實現(xiàn)了其在水下環(huán)境中的傳感與通訊應(yīng)用。

該研究通過疏水單體(丙烯酸叔丁酯，t-BuA)在疏水離子液體(1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽，[BMIm]TFSI)中的聚合，制備出具有全疏水結(jié)構(gòu)的離子液體凝膠。在水環(huán)境中，該凝膠表面的疏水聚合物網(wǎng)絡(luò)在疏水作用下發(fā)生聚集，形成致密的疏水界面，從而可有效阻斷水分子的跨界面擴(kuò)散，實現(xiàn)離子液體凝膠的抗溶脹功能。同時，[BMIm]TFSI的疏水性也阻礙了其向水相中的擴(kuò)散，使其具有一定的防離子泄漏能力。此外，[BMIm]TFSI與聚丙烯酸酯間豐富的相互作用力(包括氫鍵、偶極-偶極作用、離子-偶極作用)能夠?qū)?dǎo)電離子牢牢“鎖”在凝膠網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)一步提高該離子液體凝膠的防離子泄漏能力。這種優(yōu)異的抗溶脹和防離子泄漏性能確保了該離子液體凝膠在水環(huán)境中能夠保持長期穩(wěn)定。該全疏水離子液體凝膠在水環(huán)境中展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能，包括高靈敏度、快速響應(yīng)性和長期穩(wěn)定性。研究人員對其作為可穿戴水下傳感器的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該凝膠傳感器不僅可以粘附在人體各關(guān)節(jié)處實現(xiàn)對人體游泳狀態(tài)(游泳姿態(tài)、劃水頻率、呼吸狀態(tài)等)的實時監(jiān)測，而且也可以粘附在魚類體表感知生物在海洋中的運(yùn)動行為(游動速度、轉(zhuǎn)向、躍出水面等)。更有意義的是，結(jié)合凝膠傳感器的水下傳感功能與傳統(tǒng)的摩斯密碼編碼規(guī)則，研究人員設(shè)計了一套基于指關(guān)節(jié)彎曲傳感的新型水下通訊編碼機(jī)制，即以指關(guān)節(jié)的大、小彎曲幅度分別對應(yīng)摩斯密碼的長、短信號，從而構(gòu)建了可用于水下通訊的可穿戴水下發(fā)報機(jī)，并初步實現(xiàn)了信息的水下發(fā)送。

該研究構(gòu)筑的全疏水離子液體凝膠不僅具有長期的水下穩(wěn)定性，拓寬了離子導(dǎo)電凝膠材料的應(yīng)用環(huán)境，而且在水下運(yùn)動監(jiān)測、水下通訊、水下生物考察等領(lǐng)域都展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力，有望提高海洋勘探的效率和安全性。相關(guān)研究成果以Fully-hydrophobic ionogel enables highly efficient wearable underwater sensor and communicator為題，發(fā)表在Materials Horizons上。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點研究項目、中德合作國際交流項目和王寬誠教育基金等的支持。