山东大学王旭教授 Small：用于定位水下基础设施损伤的超分子离子凝胶

2023-12-14 来源：高分子科技

随着科技的发展与全球化的推进，人类对海底隧道、海底天然气管道以及海底光缆等水下基础设施的需求日益增长。但是水下基础设施往往铺设距离较长，且在水下较深处，难以实时监测且难以在其损伤后快速准确定位损伤位置。在前期工作中，王旭教授课题组通过级联反应调控的化学发光实现了水下材料损伤后的自报警（Mater. Horiz., 2022, 9, 2128-2137）。尽管该方法简单有效，但是化学发光的发光信号传播距离有限，且光学手段不适合用于远距离的深水基础设施的实时监测。因此，急需开发一种可实时监测深水基础设施损伤的方法。

针对上述问题，王旭教授课题组首先利用含羟基单体与含氟单体在疏水离子液体中光聚合，制备得到了一种同时含有氢键和离子-偶极相互作用的离子凝胶（SIG，图1）。该离子凝胶高度透明，具有优异的柔韧性、离子导电、抗撕裂、抗穿刺、水下自愈合、水下粘附等性能（图2）。

图1. 离子凝胶SIG的原理图以及[EMI]⁺、[TFSI]^-、P(HEA-co-HFBA)、PHEA和PHFBA的化学结构

图2. SIG抗穿刺、抗撕裂、自愈合及粘附性能表征

由于SIG具有良好的机械性能和令人满意的离子电导率，因此它可以用作离子电缆，通过离子传输机制传输信号。首先将商业电缆切割成两个完全独立的部分，商业电缆的输入端口连接手机，输出端口连接扩音器，随后将基于SIG的离子电缆连接到商业电缆的断开位置。通过在离子电缆的输出端口悬挂不同质量的重物，扩音器会发出不同音量的声音（图3a-d）。因此，基于SIG的离子电缆可以作为质量传感器，根据扩音器发出声音的音量和平滑度的变化来确定所施加的重量。此外，基于SIG的离子电缆可以固定到模型管上，在模型管断裂时，离子电缆断裂，无声音信号输出，从而监测水下基础设施的结构完整性（图3e）。

图3. 水下离子电缆及损伤检测。（a-d）重物的质量为0 g （a）、100 g（b）、500 g（c）和1000 g（d）时，扩音器发出声音的音轨图；（e）基于SIG的离子电缆固定到模型管损坏前后的图片及音轨图

由于SIG具有优异的离子电导率、粘附性和疏水性，因此可以粘附在两个铜电极之间制成可通过电阻测量法进行水下损伤定位的器件（图4a）。由于水下基础设施铺设的深度不同，所处的水温也不一致，因此对该器件进行了不同水温、不同位置下的电阻测量以探究其水下损伤自定位的能力（图4b）。对这三个实验温度（0 °C、18 °C 和 30 °C）下所测得的电阻值与长度之间关系进行曲线拟合，并在三个不同位置切断样品，将得到的实际电阻值与拟合公式计算得到的理论电阻值进行比较，以确定定位误差。结果表明该装置可以快速准确的定位水下基础设施的损伤（图4c-e）。

图4. 水下损伤定位。（a）基于SIG的水下损伤定位装置示意图；（b）不同水温不同长度下基于SIG损伤定位器件的阻值；（c，d）初始长度为10 cm（c）和30 cm（d）的基于SIG的水下装置对不同损伤位置的定位误差；（e）基于SIG器件水下损伤位置的图片

SIG可以用作应变传感器，在5000个不间断的加载-卸载循环中表现出高度可重复的电信号(图5a)，显示出该材料优异的耐用性。此外，SIG也可以贴附于人体部位，在空气中和水下监测人体的活动（图5b-c）。当水下基础设施遭到破坏，需要维修人员潜入水中时，水下通信尤为重要。此时，可以将SIG贴附着于维修人员的手指上，使用摩斯密码作为水下通信机制进行水下通信（图5d-e）。

图5. 水下通信。（a）SIGs 在20%拉伸应变下进行5000次加载/卸载循环的相对电阻变化；（b，c）在空气中（b）和水下（c）手指进行重复弯曲和伸直时SIGs的相对电阻变化；（d，e）SIGs通过摩斯密码在水下发出“ionogel”（d）和“SOS”（e）信息

该研究成果以“Supramolecular Ionogels for Use in Locating Damage to Underwater Infrastructure”为题发表在《Small》期刊上。论文的第一作者为山东大学化学与化工学院博士毕业生贾良莹，山东大学王旭教授为通讯作者。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202309231

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（责任编辑：xu）

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