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  濕度管理在農業種植、精密電子存儲和能源汲取等方面都發揮著至關重要的作用。一個理想的濕度管理系統不僅能主動調節環境濕度，還能實時監測濕度動態變化，從而實現精確的反饋調節。另外，對材料吸濕-解吸循環進行實時監測和精確反饋，也有助于精確研究熱力學和動力學，以實現可持續運行和有效性能提升。然而，傳統的重量分析法存在跟蹤速度慢、精度有限以及無法進行原位檢測的問題，并且在當前的技術途徑中濕度調節和監測這兩項功能基本上是分離的。因此，利用原位檢測方法實現水分子的精確動態感知和濕度調控的有效集成仍然是亟待解決的重要問題。

  近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋關鍵材料全國重點實驗室陳濤研究員和肖鵬研究員提出一種全新的材料設計思路，通過“界面限域聚合”和“陣列化集成”構筑了一種基于核殼聚合物凝膠的柔性吸濕電子器件（FHE），有效集成吸濕感知和濕度調控功能，實現對吸濕-解吸動態過程的實時監測以及智能化濕度管理。

  2026年2月3日，相關研究成果以“Flexible Hygroscopic Electronics for Real-Time Moisture Sorption-Desorption Monitoring and Smart Humidity Regulation”為題，發表在期刊Advanced Materials上。

  研究團隊構筑的FHE由三個功能部分組成：用于水分捕獲和吸濕感知的TEMPO-CNF氣凝膠內核、用于傳感和超疏水防護的聚吡咯（Ppy）外殼以及用于封裝凝膠單元的柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底。FHE作為一個可粘貼的電子裝置，可實現密閉空間內吸濕感知、濕度敏感的貴重物品（如鏡頭和CPU）的濕度調節以及感知預警（圖1a）。濕度管理過程通過FHE對濕氣吸收和解吸過程實現（圖1b）。吸濕感知由FHE在吸濕-解吸過程中電阻的動態變化完成（圖1c）。研究人員還對FHE內核和外殼分別進行了單獨的吸濕電信號檢測，驗證了FHE吸濕感知過程中電阻的動態變化源于吸濕性凝膠內核離子濃度的變化（圖1d）。同時，FHE具有優異的濕氣響應性能（圖1e），實時的電信號追蹤數據論證了FHE對動態吸濕-解吸過程的實時監測和自反饋功能的智能濕度調節（圖1f）。良好的柔韌性也可有效地適應不同應用場景下變形過程中產生的應變能（圖1h）。

圖1. 柔性吸濕電子器件（FHE）用于水分子動態監測和智能濕度調節。（a）所提出的智能FHE陣列的概念。FHE吸濕自感知凝膠的電阻值隨著吸濕-解吸過程變化，從而實現智能濕度管理和吸濕感應。（b）FHE的濕度管理機制示意圖。（c）FHE的實時水分監測和吸濕感知機制示意圖。（d）從干燥狀態到90%相對濕度的FHE單元內核和Ppy外殼的動態吸濕感知ΔI/I₀曲線。（e）FHE單元在30%、50%、70%和90%相對濕度下的響應時間。（f）FHE濕度管理和吸濕感知曲線。（g）FHE單元的光學圖像及其橫截面。（h）具有不同柔性變形狀態的FHE的光學圖像。

  進一步，研究人員對FHE單元進行了詳細的表征分析。首先，圖2a從分子角度進一步解釋了硅氧烷（-Si-O-）骨架和側甲基賦予了FHE優異的柔韌性和化學穩定性。Ppy外殼通過界面限域聚合方法均勻沉積在TEMPO-CNF表面（圖2b）。FHE聚吡咯外殼獨特的微納結構，使其對液態水表現出超疏水性，同時對水蒸氣保持高度滲透性，具有很好的疏水防護（圖2c和d）。FHE單元也可實現多級結構制備，這對于在不同的場景和不同維度的濕度管理應用至關重要（圖2e）。值得注意的是，FHE單元也可以使用細菌纖維素（BC）、海藻酸鈉（SA）和羧甲基纖維素（CMC）等多種生物質材料制備而成，表現出很好的普適性（圖2f）。

圖2. FHE單元的制備和表征。（a）FHE基底結構和化學信息示意圖。（b）FHE單元的完整和橫截面光學照片。（c）FHE單元橫截面的SEM圖像，顯示了核殼界面以及Ppy層和TEMPO-CNF-LiCl氣凝膠的詳細視圖。（d）FHE單元傳感外殼和吸濕內核的接觸角。（e）FHE單元的多級結構和復雜3D結構光學照片。（f）分別由BC-LiCl、SA-LiCl和CMC-LiCl內核制備的FHE單元的光學照片。

  通過分子模擬進一步驗證并闡明FHE核殼界面形成和吸濕感知電信號變化機制。模擬過程中，吡咯單體快速聚集并隨后在TEMPO-CNF氣凝膠表面形成Ppy鏈，最后階段由數百個相互連接的Ppy鏈自組裝組成超疏水外殼，包裹著TEMPO-CNF氣凝膠核心（圖3a）。TEMPO-CNF的羧基和羥基與吡咯的氮基序相互作用，在氫鍵和與Ppy鏈的π-π相互作用下，使FHE單元維持核殼結構的穩定（圖3b）。進一步，研究人員對TEMPO-CNF氣凝膠基質內的離子擴散動力學和傳輸特性進行了吸濕-解吸過程的全面模擬分析。在干燥狀態下，TEMPO-CNF孔壁處的LiCl晶體很難解離，離子以晶體形式保持相對靜止的狀態（圖3c）。然而，在吸濕狀態下大量LiCl晶體解離，水合Li⁺和Cl^-在模擬電場作用下沿相反方向自由移動（圖3d）。該模擬結果表明，TEMPO-CNF氣凝膠內核離子水合及擴散運動是吸濕傳感的關鍵因素，電信號動力學變化的定量模擬數據也證明模擬結果與吸濕感知實驗結果及理論的一致性（圖3e-g）。

圖3. FHE凝膠單元形成和離子擴散動力學模擬。（a）TEMPO-CNF氣凝膠表面Ppy鏈形成的MD模擬。（b）Ppy殼形成和核殼分子力的MD模擬。Li⁺和Cl^-（c）干燥狀態和（d）吸濕狀態下在TEMPO-CNF氣凝膠內核中的擴散運動和變化。（e）根據MD模擬默認程序格式計算的吡咯和TEMPO-CNF數量密度。（f）在30%、50%和90%相對濕度下，Cl^-和Li⁺在TEMPO-CNF氣凝膠內核擴散的均方位移（MSD）。通過擬合MSD數據獲得離子的擴散系數。（g）TEMPO-CNF氣凝膠在30%至90%相對濕度下相對位置的電荷密度。

  基于以上分析，研究人員進行了FHE吸濕性能表征和濕度調控應用。FHE單元的吸濕性歸因于親水基團與水分子結合和LiCl負載發生的離子水合作用（圖4a-b）。隨著濕度的上升，FHE的吸濕性能遞增，在95%RH下可達~3.14 g g^-1（圖4d和4e）。圖4c顯示了吸收濕氣后，凝膠內核Li⁺和Cl?的擴散遷移過程。隨著相對濕度的增加，FHE表現出明顯的電阻下降（圖4f）。因此，FHE單元的吸濕感應機制是具有濕度依賴性的：高相對濕度下會增加自由離子和電荷密度并誘導離子遷移，而低相對濕度下會抑制這種效應。FHE單元的穩定性也是濕度調控和吸濕傳感的先決條件。如圖4g所示，FHE表現出極高的吸濕穩定性，在50個吸附-解吸循環過程中（70%RH）吸濕性能維持在1.8-1.65 g g^-1。另外，為了評估FHE濕度調節性能，我們通過調控FHE單元的數量來保持密封亞克力盒子內相對濕度的穩定, 這可有效保護濕度敏感的精密物件并提供穩定的濕度環境（圖4h）。在不同相對濕度的密閉空間中，FHE的濕度調控精度基本保持一致，每單元ΔRH為~2.7%（圖4j）。同時，FHE在~60小時內具有出色的長期濕度控制能力（圖4k），這進一步證明了FHE濕度調控系統的可靠性和準確性。

圖4. FHE的吸濕性能表征和濕度管理應用。（a）FHE與水分子的氫鍵相互作用和LiCl水合過程示意圖。（b）水分子的氫鍵相互作用示意圖。（c）FHE單元吸濕感知過程中水合Cl^-和Li⁺定向運動示意圖。FHE在30%至95%的相對濕度變化下的（d）吸濕性能和（e）最佳吸濕值。（f）在不同相對濕度下FHE單元的電阻值。（g）FHE單元和TEMPO-CNF吸濕氣凝膠的循環吸附-解吸測試。（h）由密封的亞克力盒子封裝的FHE和精密物品組成的濕度調控系統的光學圖片。FHE在硬幣、電路板、CPU芯片和相機鏡頭密閉環境下的（i）濕度調節性能和（j）相對濕度變化。（k）FHE的長期濕度調控性能。

  研究人員進一步對FHE吸濕感知性能進行表征和分析。FHE吸濕感知機制示意圖如圖5a所示，FHE單元在吸濕狀態下，觀察到吸濕傳感器信號（ΔI/I₀）的增加，這歸因于LiCl水合引起的離子水合和電荷傳輸。在解吸狀態下，傳感器信號降低，對應于水合Cl^-和Li⁺的減少。電流變化分析（圖5b）以及濕度梯度下傳感信號的同步變化（圖5c）進一步闡明FHE單元的吸濕感知行為。另外，從高濕度到底濕度過程中，由于水合離子的減少，傳感信號也會呈現下降趨勢（圖5d）。與用于研究FHE吸濕-解吸行為的傳統稱重技術相比，ΔI/I₀曲線的電信號變化表現出很強的相關性（圖5e），而傳感信號可實時監測水分子的吸濕和狀態，可以更直觀地觀察到FHE單元自身狀態，而稱重無法實現這一功能。此外，圖5f-h中的ΔI/I₀曲線使我們能夠更細致的分析FHE單元在吸濕、平衡和解吸狀態下的離子變化行為。

圖5. FHE吸濕感知表征和分析。（a）FHE吸濕-解吸傳感機制示意圖。（b）FHE在不同濕度下隨時間變化的電流曲線。（c）相對濕度梯度下FHE的ΔI/I₀變化曲線。（d）從90%到30%RH，FHE的ΔI/I變化曲線。（e）吸濕-解吸過程中FHE稱重的質量變化曲線和FHE吸濕感知的ΔI/I₀曲線。（f）FHE單元在2-3h內的吸濕感知過程、4-5h吸濕平衡過程和6-7h解吸感知過程中的ΔI/I₀動態變化曲線。

  最后，基于FHE吸濕感知和濕度調控能力，研究人員開展了監控鏡頭濕度調控-預警應用，通過濕氣檢測、信號采集和反饋的過程建立高效的精密鏡頭閉環系統，實現鏡頭防護、內部環境濕度調控以及破損后的提前預警（圖6a-c）。如圖6d所示，監控裝置安裝在高樓窗外，通過將FHE陣列集成到監控鏡頭內部，進行濕度調節和傳感預警。圖6e為對照裝置，當鏡頭破裂時，過多的水分導致鏡頭內部水蒸氣凝結，污染鏡頭。然而，FHE集成的監控攝像頭破裂后可有效地吸濕并進行濕度調節，防止了鏡頭模糊和損害，并確保了設備的連續可靠運行（圖6f）。通過監控鏡頭拍攝的實時畫面也可發現，對照裝置由于濕氣的侵入鏡頭損壞，圖片模糊（圖6g）。然而，集成FHE的監控攝像頭由于其有效的吸濕和調節能力，在很長一段時間內保持了圖像清晰度（圖6g）。同時，通過吸濕過程中傳感信號的上升也可實現鏡頭破損后的提前預警，從而可采取進一步的預防措施（圖6i-l）。

圖6. FHE應用于監控鏡頭的有效濕度調控-預警系統。（a）精密鏡頭濕度調控-預警系統系統包括透明屏蔽、鏡頭電路板機構和FHE。（b）FHE陣列的圖示和（c）光學圖像。（d）室外精密透鏡的光學圖像。（e）對照組：破裂的監控攝像頭的室外光學圖像和（f）暴露在高濕度環境中的帶有FHE的破裂監控攝像頭。（g）通過監控鏡頭拍攝的室外圖像，鏡頭外殼有裂紋，以及（h）通過FHE集成的監控鏡頭拍攝的圖像，同樣暴露在高濕度環境中，外殼有裂紋。FHE單元的吸濕感知使（i）密封監控鏡頭設備中保持穩定濕度以及在破裂控鏡頭設備中保持長時間濕度穩定。（k）精密鏡頭濕度調控-預警系統中RH感知探頭的光學圖像。（l）暴露在高濕度環境中的FHE集成的破裂監控鏡頭和對照組的相對濕度變化曲線。

  該研究通過界面限域聚合和陣列集成化設計的凝膠基柔性吸濕感知電子器件實現吸濕-解吸實時監測和智能化濕度管理，并為設備的潛在的密封故障提供遠程警告，解決目前普遍存在的吸濕材料濕度調控與吸濕監測難以兼容的問題，在濕度管理交互系統中展示出巨大潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202518207