在自然界中，生物体为了长久生存和繁衍进化出许多优异的特性，例如一些鸟类羽毛及蝴蝶翅膀的超疏水性、鱼鳞的非浸润性等，以适应外部环境达到生存的目的。其中，具有超疏水和自支撑性的超黑蝴蝶翅膀能感知天气的变化并做出反应，启发了人们去研究和模仿这一有趣的现象。具有自支撑形式的二维软材料因其高度柔性、可变形和自适应的特点而受到广泛关注，研究者们将其引入功能膜和集成系统的设计中，以实现仿生变形和超灵敏传感性能，在软体驱动、可穿戴传感器和柔性储能等领域显示出广泛的应用潜力。
尽管自支撑系统为仿生驱动和软电子技术提供了一种新的替代途径，然而，当暴露在水环境中时，其很难灵敏稳定地捕捉微小/大的机械刺激并给出实时响应。此外，目前的研究主要集中在基于自支撑薄膜或气凝胶的超疏水机械传感器的构建上。对于自支撑的二维薄膜，由于缺乏多种功能组件的有效整合，二维薄膜的潜力受到严重限制。因此，将具备超薄、导电、可拉伸和超疏水特性的薄膜集成到一个系统中仍是挑战，这对于发展水下传感技术具有重要意义。
近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员、肖鹏副研究员基于在碳基/高分子复合薄膜的构筑及其柔性传感器方面的研究基础（Chem. Mater., 2016, 28, 7125； ACS Nano, 2019, 13, 4368; Nano Energy, 2019, 59, 422; Nature Commun., 2020, 11, 4359; Nano Energy, 2021, 81, 105617; Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2105323），受到超疏水和自支撑性的超黑蝴蝶翅膀的启发，开发了一种弹性、超疏水、自支撑和导电的柔性传感器，可实现多功能的天气监测及水下传感与救援。
该工作采用界面自组装方法首先在水/空气界面实现了碳纳米管（CNTs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合薄膜的构筑；随后采用表面功能化修饰策略在CNTs/PDMS上喷涂超薄的疏水弹性聚合物涂层制备了具有不对称三层结构的超疏水PDMS/CNTs/PDMS复合薄膜（PCPM）。通过表面修饰超薄PDMS不仅赋予薄膜优异的机械稳定性，还可以有效调控其表面润湿性及超疏水稳定性。研究发现，基于PCPM薄膜的应变传感器具有高的灵敏度（GF=32.6）、优异的机械稳定性和超疏水稳定性，可在有水的情况下进行生理活动的监测。更重要的是，基于自支撑形式的PCPM薄膜应变传感器可实现不同频率、强度的降雨及太阳光强弱的实时天气监测。此外，该自支撑传感器还可以进一步实现水下快速漂浮、载重、快速运输和全程实时电流监测的多功能水上救援工具。因此，自支撑PCPM基传感器在多功能传感系统和水下软执行器方面展现出潜在的应用前景。
该工作以“Bioinspired Nanostructured Superwetting Thin-Films in a Self-supported form Enabled “Miniature Umbrella” for Weather Monitoring and Water Rescue”为题发表在Nano-Micro Lett., 2021, DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-021-00775-4。本研究得到了国家自然科学基金（52073295、51803226）、国家自然科学基金委中德交流项目（M-0424）、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-SLH036）、中科院国际合作局（174433KYSB20170061）及王宽诚国际交叉团队（GJTD-2019-13）等项目的资助。
受蝴蝶翅膀启发的自支撑、超疏水PCPM传感器的构建及天气监测和水下救援应用
（高分子与复合材料实验室 黎姗）