全疏水离子液体凝胶，为潜水保驾护航
中科院之声
2小时前
地球是一颗绚丽的蓝色星球，约71%的表面都被海洋覆盖。神秘的海洋中不仅记录着生命起源的秘密，也蕴藏着丰富而庞大的资源。像鱼儿一样在海洋中畅游，自由地探索海洋的秘密与资源是人类由来已久的愿望。
潜水是人类探索海洋最直接的方式之一。根据《尚书·禹贡》记载，早在两千七百多年前的周代，就已出现最原始的潜水捕捞技术，潜水员可通过屏住呼吸的方式完成水下捕鱼采珠等工作。而到了明代，更是出现了简单的潜水工具，如《天工开物》中记载的锡制环形空管，使潜水员能通过管子进行水下呼吸（图1）。近代以来，随着科学技术的发展，潜水技术更是获得了革命性的突破，先进的潜水装备不仅大大延长了潜水时间，也不断刷新着潜水深度。现在，潜水活动早已不再局限于资源探测与捕捞领域，而是被广泛应用于海底设施建设、水下救援、水下考古、海洋生态修复、特种作战等诸多专业领域，甚至成为一项面向大众的休闲娱乐运动。
图1.《天工开物》中记载的潜水采珠技术（图片来自网络）
尽管潜水技术的发展满足了人类自由探索海洋世界的愿望，但水下环境的复杂性与特殊性也决定了潜水活动是一项具有高危险性的运动。在水下，潜水员不仅要承受高压无氧等恶劣条件的极限生理考验，而且也面临着来自海洋生物的潜在生命威胁。更为重要的是，由于通讯技术的不足，潜水员在水下只能通过简单的手语交流（图2），导致他们在遇到突发状况时不能及时发出求救信号，得到快速救援。来自英国的一份统计数据显示，即使是潜水深度较低的休闲潜水运动的死亡率也高达0.163‰，居于各项运动死亡率的前列。因此，实现对潜水过程的实时监测和发展水下通讯技术对保障潜水安全具有重要作用。
图2. 一些通用的潜水手势（图片来自网络）
近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员与浙江省之江实验室郑音飞教授合作，报道了一种可在复杂水环境中保持长期稳定的全疏水离子液体凝胶材料并将其应用于水下可穿戴应用，初步实现了水下传感和通讯功能，对于提高潜水活动的安全性有重要意义（图3）。
图3. a）全疏水离子液体凝胶的组成；b）全疏水离子液体凝胶应用于水下传感与水下通讯
在该工作中，研究人员利用与水不相容的疏水材料成功构筑了具有离子导电特性的全疏水型离子液体凝胶（图4a）。该离子液体凝胶在应力作用下可发生拉伸形变，从而导致其本征电阻的大幅度变化，形成明显的电信号响应，实现应变传感。不同于传统离子导电水凝胶在水环境中的高度不稳定，这种离子液体凝胶的疏水性就仿佛给传统水凝胶穿上了一件“防水服”（图4b），不仅可以有效阻挡水分子扩散进凝胶材料中，而且也可以阻碍凝胶中的离子液体向水体泄漏，从而显著提高离子液体凝胶在水环境中的稳定性，保证其在水下的长期使用。此外，当该离子液体凝胶靠近水中的其它基底材料时，这种疏水性可将两者间的水分子“排开”，从而使凝胶与基底材料发生紧密接触与相互作用，实现离子液体凝胶在水环境中的强力粘附（图5），便于其在水下的可穿戴使用。
图4. a）全疏水离子液体凝胶实物；b）穿在全疏水离子液体凝胶上的“防水服”
图5. a）全疏水离子液体凝胶在水下的粘附性；b）全疏水离子液体凝胶的水下粘附机制
研究发现，该离子液体凝胶在水下环境中具有优异的传感性能（图6a）。当离子液体凝胶被粘附在人体关节处时，就可以监测该处皮肤在运动过程中的拉伸状态，从而获取关节的运动信号，实现对潜水员在潜水过程中的实时监测（图6b），提高对潜水员的安全保障。当然，离子液体凝胶也可以直接粘附于海洋生物体表，监测生物在水中的运动习性，实现对海洋生物的远程考察（视频）。
图6. a）全疏水离子液体凝胶在水下的传感性能；b）潜水传感示意图
海洋生物运动监测
得益于该离子液体凝胶的高灵敏度，凝胶传感器对指关节的弯曲幅度有着良好的识别能力（图7a）。利用这一特点，研究人员将离子液体凝胶传感器与传统的摩斯密码编码规则相结合，用指关节的大、小幅度弯曲信号分别对应传统摩斯密码的长、短信号,设计出了一套基于指关节弯曲传感的水下通讯编码机制（图7b），由此构建可用于水下通讯的可穿戴水下发报机，并成功通过指关节的规律性弯曲实现了信息的水下发送（图7c, d）。
图7. a）全疏水离子液体凝胶对指关节的传感；b）水下通讯编码规则；c, d）基于指关节弯曲传感的水下信息通讯
综上所述，该全疏水离子液体凝胶具备良好的水下长久稳定性，可以作为可穿戴的水下传感器和通讯器应用于潜水中，从而在传感与通讯两方面为潜水活动提供更好的安全保障。
来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所