全疏水離子液體凝膠，為潛水保駕護航_風聞

地球是一顆絢麗的藍色星球，約71%的表面都被海洋覆蓋。神秘的海洋中不僅記錄着生命起源的秘密，也藴藏着豐富而龐大的資源。像魚兒一樣在海洋中暢遊，自由地探索海洋的秘密與資源是人類由來已久的願望。

潛水是人類探索海洋最直接的方式之一。根據《尚書·禹貢》記載，早在兩千七百多年前的周代，就已出現最原始的潛水捕撈技術，潛水員可通過屏住呼吸的方式完成水下捕魚採珠等工作。而到了明代，更是出現了簡單的潛水工具，如《天工開物》中記載的錫制環形空管，使潛水員能通過管子進行水下呼吸（圖1）。近代以來，隨着科學技術的發展，潛水技術更是獲得了革命性的突破，先進的潛水裝備不僅大大延長了潛水時間，也不斷刷新着潛水深度。現在，潛水活動早已不再侷限於資源探測與捕撈領域，而是被廣泛應用於海底設施建設、水下救援、水下考古、海洋生態修復、特種作戰等諸多專業領域，甚至成為一項面向大眾的休閒娛樂運動。

圖1.《天工開物》中記載的潛水採珠技術（圖片來自網絡）

儘管潛水技術的發展滿足了人類自由探索海洋世界的願望，但水下環境的複雜性與特殊性也決定了潛水活動是一項具有高危險性的運動。在水下，潛水員不僅要承受高壓無氧等惡劣條件的極限生理考驗，而且也面臨着來自海洋生物的潛在生命威脅。更為重要的是，由於通訊技術的不足，潛水員在水下只能通過簡單的手語交流（圖2），導致他們在遇到突發狀況時不能及時發出求救信號，得到快速救援。來自英國的一份統計數據顯示，即使是潛水深度較低的休閒潛水運動的死亡率也高達0.163‰，居於各項運動死亡率的前列。因此，實現對潛水過程的實時監測和發展水下通訊技術對保障潛水安全具有重要作用。

圖2. 一些通用的潛水手勢（圖片來自網絡）

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊陳濤研究員與浙江省之江實驗室鄭音飛教授合作，報道了一種可在複雜水環境中保持長期穩定的全疏水離子液體凝膠材料並將其應用於水下可穿戴應用，初步實現了水下傳感和通訊功能，對於提高潛水活動的安全性有重要意義（圖3）。

圖3. a）全疏水離子液體凝膠的組成；b）全疏水離子液體凝膠應用於水下傳感與水下通訊

在該工作中，研究人員利用與水不相容的疏水材料成功構築了具有離子導電特性的全疏水型離子液體凝膠（圖4a）。該離子液體凝膠在應力作用下可發生拉伸形變，從而導致其本徵電阻的大幅度變化，形成明顯的電信號響應，實現應變傳感。不同於傳統離子導電水凝膠在水環境中的高度不穩定，這種離子液體凝膠的疏水性就彷彿給傳統水凝膠穿上了一件“防水服”（圖4b），不僅可以有效阻擋水分子擴散進凝膠材料中，而且也可以阻礙凝膠中的離子液體向水體泄漏，從而顯著提高離子液體凝膠在水環境中的穩定性，保證其在水下的長期使用。此外，當該離子液體凝膠靠近水中的其它基底材料時，這種疏水性可將兩者間的水分子“排開”，從而使凝膠與基底材料發生緊密接觸與相互作用，實現離子液體凝膠在水環境中的強力粘附（圖5），便於其在水下的可穿戴使用。

圖4. a）全疏水離子液體凝膠實物；b）穿在全疏水離子液體凝膠上的“防水服”

圖5. a）全疏水離子液體凝膠在水下的粘附性；b）全疏水離子液體凝膠的水下粘附機制

研究發現，該離子液體凝膠在水下環境中具有優異的傳感性能（圖6a）。當離子液體凝膠被粘附在人體關節處時，就可以監測該處皮膚在運動過程中的拉伸狀態，從而獲取關節的運動信號，實現對潛水員在潛水過程中的實時監測（圖6b），提高對潛水員的安全保障。當然，離子液體凝膠也可以直接粘附于海洋生物體表，監測生物在水中的運動習性，實現對海洋生物的遠程考察（視頻）。

圖6. a）全疏水離子液體凝膠在水下的傳感性能；b）潛水傳感示意圖

視頻連接請戳

海洋生物運動監測

得益於該離子液體凝膠的高靈敏度，凝膠傳感器對指關節的彎曲幅度有着良好的識別能力（圖7a）。利用這一特點，研究人員將離子液體凝膠傳感器與傳統的摩斯密碼編碼規則相結合，用指關節的大、小幅度彎曲信號分別對應傳統摩斯密碼的長、短信號,設計出了一套基於指關節彎曲傳感的水下通訊編碼機制（圖7b），由此構建可用於水下通訊的可穿戴水下發報機，併成功通過指關節的規律性彎曲實現了信息的水下發送（圖7c, d）。

圖7. a）全疏水離子液體凝膠對指關節的傳感；b）水下通訊編碼規則；c, d）基於指關節彎曲傳感的水下信息通訊

綜上所述，該全疏水離子液體凝膠具備良好的水下長久穩定性，可以作為可穿戴的水下傳感器和通訊器應用於潛水中，從而在傳感與通訊兩方面為潛水活動提供更好的安全保障。

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所