水下监测与通信在追踪海洋洋流和表面波浪、探测与监测水下器械、进行海洋生物学研究、监测潜水运动、实现水下无线通信、探测水下声波等方面具有重要意义。为推动水下探测技术的发展，大量工作已致力于研发水下机械感应材料及其相应的集成设备，以在海洋环境中精准传递信息，用于水下智能探索。传统水下传感器采用光纤和压电陶瓷，软性水凝胶因其具备与水完美声阻抗匹配的特性，能够实现压阻、电容和晶体管式等机械波探测机制，也被视为有潜力的水下探测候选材料。

基于此，浙江农林大学生物质仿生智能实验室孙庆丰教授和沈晓萍副教授，与美国得克萨斯理工大学Julia L. Shamshina助理教授合作提出了一种全木质基的基于分级自匹配的压容式水下机械感受器的新思路。通过构建微树丛木材电极（PW）和自褶皱抗胀纤维素基水凝胶介电层（MPASH），自组装而成具有分级匹配微图案的木质基压容机械感受器，该木质基离子电容传感器表现出超高灵敏度（1153 kPa-1）和超低检测限（LOD = 6.4 Pa）。该工作以题为“Self-micropatterned wood hydrophone for underwater detection”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。

高灵敏探测机制

制造木质基水听器的关键在于建立分层自内充性，指经过有意设计的配置，即分级自褶皱的MPASH介电层水凝胶和PPy微树丛状聚吡咯木材电极组装后，通过自匹配机制来最大化变形微区域面积，并在分级可变形MPASH微图案上引起局部应力集中。

▲分级自匹配微图案化机械感应机制

木质基电极和介电层构建

PW表面上直径约为200nm的单个聚吡咯纳米粒子逐渐聚集成具有树枝状结构的超过30μm的簇，形成一个充满孔隙（10-300μm）的分级导电微树丛微观结构，为电子和离子扩散提供了纳米储库和通道。MPASH自褶皱皱纹的波长（λ）和振幅（A）受到边缘效应的影响，由硬边缘引起的应力释放导致相对有序的皱纹图案，而远离硬边界的区域呈现无序的随机皱纹，总体而言，λ和A分别为20.7 μm和22.0 μm。

▲PW的微树丛微结构

▲MPASH的自褶皱和抗胀机制

设备组装与性能

全木质基水听器采用悬浮MPASH振膜、支撑电极环、绝缘环、多孔PW电极、具有多个孔的电流收集背板和一个紧固件组装而成，MPASH-电极环和PW-电流收集器之间采用水下导电胶粘剂粘接。为了进行准确的测量，该传感器安装在带有孔的PW和基底上，随后采用金属外壳进行封装。转换电路模块包括偏置电路、反馈回路、放大级别和输出调节组件，以将电容信号转换为电压信号。水下声波探测在一个自制的无回声水槽中进行测量，以减少回声干扰。在转换和信号放大之前，已经可以观察到木质基水听器对扫频声波的敏感电容信号变化响应。

▲木质基水听器组装和性能测试

在实际的水下声学监测过程中，水压和水温的影响是不可避免的。目前的测试表明，就水温而言，尽管基准水平不同，木质基水听器在25℃和5℃的水环境中均表现出令人满意的声学感应能力。其二，在深海探测应用中，水听器的外壳需要进一步进行设计优化以承受水压，更多针对性的研究还需继续开展，例如透声窗口的抗压性和声学透过性，以及水压和温度因素影响下的数据校准。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202304104

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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