鑽石舞台

1. 受到自然界自支撐、超疏水蝴蝶翅膀的啟發，在水/空氣界面開發了一種由自組裝碳納米管(CNTs)和疏水的彈性體(PDMS)複合而成的彈性、超疏水、自支撐和導電的一體化柔性傳感器。

2. 通過表面功能化修飾策略對疏水彈性體塗層進行調節，可以有效地控制不對稱三層結構的超疏水PDMS/CNTs/PDMS複合薄膜(PCPM)表面潤濕性，並在60%的外加應變下仍保持超疏水特性。

3. 基於自支撐形式的PCPM薄膜應變傳感器可實現不同頻率、強度的降雨及太陽光強弱的實時天氣監測。此外，該自支撐傳感器還可以進一步實現水下快速漂浮、載重、快速運輸和全程實時電流監測的多功能水上救援。

在自然界中，生物體為了長久生存和繁衍進化出許多優異的特性，例如一些鳥類羽毛及蝴蝶翅膀的超疏水性、魚鱗的非浸潤性等，以適應外部環境達到生存的目的。如圖1(a)所示，超黑蝴蝶翅膀由亞微米孔陣列和納米級脊的分層結構組成。這種多層次的結構與多級孔洞結合，可以有效地防止水滴滲入翅膀，從而使水迅速從表面滑落。基於該結構的啟發，在水/空氣界面將導電CNTs和柔性疏水聚合物PDMS進行組裝獲得CNTs/PDMS複合薄膜，隨後採用表面功能化修飾策略在CNTs/PDMS上噴塗超薄的PDMS塗層以加強界面和傳感穩定性。如圖1(d)和1(e)所示，獲得的自支撐PCPM基柔性傳感器具有~163°的水接觸角。在顯微鏡下觀察到，恰當濃度的PDMS塗層不會顯著影響表面粗糙度。相反，PDMS塗層就像一層「盔甲」，保護表面免受破損。基於自支撐形式的PCPM 「微型智能傘」可實現不同強度的降雨、太陽光強弱的實時天氣監測以及水下快速漂浮、全程實時電流監測的多功能水上救援。

為了進一步探究超潤濕性與微觀結構之間的關係，我們對PCPM的SEM截面圖和元素分布進行了分析。如圖2(a)所示，水/空氣界面製備的約10 μm的PCPM一側形成了粗糙表面並且Si元素均勻分布，這清晰地說明PDMS包覆在每根CNTs周圍並形成連續的聚合物層，以確保PCPM表面的超疏水穩定性。為了進一步探究PDMS濃度對PCPM疏水性能的影響，調控噴塗的PDMS濃度發現濃度為1 wt% PDMS塗層的PCPM具有清晰可見的粗糙結構和超疏水性能，其WCA為157.1°。然而，當PDMS濃度增加10 wt%時，粗糙的CNTs微觀結構幾乎被PDMS完全覆蓋，表面相對光滑，WCA降低至129.2°。原子力顯微鏡(AFM)圖像進一步證明了隨着PDMS塗層濃度的增加，計算得到的PCPM薄膜表面均方根粗糙度(Rq)從136 nm顯著降低到77.5 nm，與圖2(f)中WCA變化趨勢基本一致。在0 ~ 60%的拉伸過程中，2 wt% PCPM的WCA保持在155°以上的穩定狀態，表明類「盔甲」PDMS塗層可以形成彈性保護層，避免機械應變導致性能下降。

通過歸一化電阻(ΔR/R₀)變化表徵了不同噴塗濃度條件下PCPM應變傳感器的不同傳感性能。如圖3(a)所示，隨着PDMS噴塗濃度的增加，複合膜在0-60%的拉伸應變下的電阻變化顯著降低，這表明基於PCPM的應變傳感器的靈敏度受到塗覆PDMS濃度的影響。PCPM應變傳感器的靈敏度分別為17.54 (ε: 0.30%)和32.59 (ε: 30-60%)，線性響應度分別為0.994和0.993。基於PCPM的應變傳感器在不同頻率(0.01-1 Hz)下以及不同應變拉伸下的電學信號均表現出良好的循環穩定性。除機械傳感性能外，當在40%應變下循環拉伸1000次時，傳感器也能保持穩定的超疏水特性和高WCA值(>155°)。為了進一步測量PCPM長期機械傳感的穩定性，在應變為40%、頻率為0.2 Hz的5000次循環下，PCPM的應變傳感器可以承受長時間的應變和保持電學穩定性，為進一步的機械傳感應用奠定了基礎。

IV 液滴檢測性能及液滴平衡傳感器

自支撐式PCPM基應變傳感器展現出有趣的應用。如圖4(a-d)所示，PCPM基傳感器能夠靈敏的檢測液滴下落的頻率、液滴大小以及液滴下落的高度。進一步將其製備成十字交叉結構的方向平衡傳感器以檢測來自東南西北四個方向的不平衡，這在日常生活中至關重要。例如，大型卡車在出廠時需要進行平衡測試，以防止危險事故的發生。如圖4(f)所示，當液滴平衡傳感器在東、西、南、北四個方向有規律地不平衡時，可依次檢測到相應的信號變化，從而做出相應調整以規避事故的發生。

圖4.(a) 不同頻率(0.2、0.4、0.6、1 Hz)、不同體積(10、20、50 μL)、不同降落高度(12、7、4 cm)的液滴下落在PCPM上的示意圖；(b-d) 基於PCPM的應變傳感器在不同頻率、不同體積和不同降落高度下的相對電阻變化曲線；(e) PCPM基液滴方向平衡傳感原理圖；(f) PCPM基液滴平衡檢測儀在東、南、西、北四個方向下工作的圖片及相應的相對電阻變化曲線。

V 用於天氣監測的PCPM基多功能智能雨傘

圖5.(a) 自支撐智能傘的數字圖片；(b-c)智能雨傘在開閉過程中的相對電阻變化及開閉之間的時間響應曲線；(d) 智能傘對陰天、雨天的相對電阻變化曲線；(e-f) 自支撐式智能傘監測小雨、中雨、大雨時的照片及相應的相對電阻變化曲線。

圖6.(a) 不同光強下智能傘的紅外圖像；(b) 不同太陽光強下智能傘的電流-時間曲線；(c) 智能傘在有(0.5sun)或沒有陽光下的電流-時間曲線；(d) PCPM基智能傘識別一天內天氣變化的電流-時間曲線；(e) 自支撐式智能遮陽帽的結構圖；(f)智能傘在有無陽光時的電流-時間曲線(0.5sun)。

VI 用於水上救援和傳感的PCPM基多功能智能雨傘

圖7. (a) 智能傘在水下、空氣中和水面上漂浮的照片；(b) 智能傘在水下的受力分布圖；(c) 智能傘水下救援的全過程示意圖；(d) PCPM基智能傘水下救援模型圖及上升過程中實時電流-時間曲線；(e) 碗蓮在水上載人示意圖；(f) 智能傘承載不同鐵環數目時的電流-時間曲線；(g) 承載不同重量的智能傘在水面運行的平均速度；(h) 智能傘在小、中、大浪水面上的電流-時間曲線；(i) 在流速為0.093 m s⁻¹時(總距離為1 m)，純PDMS傘、純油紙傘和PCPM傘在t = 8 s時的位置；(j) PDMS傘、純油紙傘和PCPM傘在流速為0.093 m s⁻¹時的平均速度和距離。