新研究

我國首次實現液態金屬驅動的功能性輪式移動機器人

來自《先進材料》雜志消息，中國科學技術大學張世武研究團隊聯合澳大利亞伍倫貢大學李衛華研究團隊和蘇州大學機器人與微系統中心李相鵬研究團隊，設計了基于鎵基室溫液態金屬的新型機器人驅動器，首次實現液態金屬驅動的功能性輪式移動機器人。

研究人員設計了一種具有超疏水表面的極輕半封閉輪式結構，將液態金屬液滴限制在狹長的輪體內部；通過巧妙設計的隨動微型電極支架施加外部電場驅動輪體內液態金屬運動，進而持續改變輪式機器人的重心，驅動輪式機器人滾動。同時，研究人員對所提出的新型液態金屬機器人做了動力學建模與分析，并通過實驗探索了電解液濃度、施加電壓、液態金屬體積、輪體結構等參數對機器人運動性能的影響，獲得驅動運動的最佳參數匹配。進一步，通過集成電池系統，研究人員成功設計了新型液態金屬自驅動輪式移動機器人。這一創新研究有望啟發一種新型驅動方式，彌補傳統的機器人驅動方式（電機、液壓及氣動等）結構復雜、體積大以及驅動能效低等不足，促進未來微小機器人及特種機器人系統的發展。

第一個無需外加H2O2鐵自氧化過程痕量-OH光學探針

羥基自由基（-OH）是人體內一種重要的活性氧物種，具有極強的反應活性，能夠損傷蛋白質、DNA及脂類等重要生物分子，進而引發神經性疾病、癌癥等。目前，廣泛認可的生物體內-OH產生途徑是Fenton反應（Fe2++ H2O2）。考慮到細胞內溶解O2的濃度遠遠高于H2O2的穩態濃度，因此鐵自氧化過程（Fe2++ O2）可能也在-OH的產生上扮演著重要角色。然而，由于缺乏靈敏的分析方法來檢測鐵自氧化過程中產生的痕量-OH，這一過程的重要性往往被人們所忽視。

最近，在國家自然科學基金委、科技部和中科院的大力支持下，中國科學院化學研究所馬會民課題組研制出了第一個可以檢測這種無需外加H2O2的鐵自氧化過程中痕量-OH的光學探針。該研究利用了-OH對芳香化合物獨特的羥基化作用，以有效避免其它活性氧物種 (如OCl-、ONOO-) 的干擾；同時，由于-OH具有親電性，所以在芳香環上引入強的供電子甲氧基，提高了探針對-OH的捕獲能力。探針與-OH反應后，通過電子重排，導致π-共軛體系擴展并產生強的近紅外熒光發射，具有高的分析靈敏度。

目前該探針已成功用于活細胞內鐵自氧化過程中痕量-OH的熒光成像分析，其優越的分析性能和廣泛應用將有助于理解鐵自氧化過程的生理學及病理學作用。

以簡單方法實現復雜水稻傷流液重金屬離子檢測

水稻中的重金屬離子通過食物鏈對人類健康構成威脅。檢測水稻傷流液中的重金屬離子對于探究重金屬離子在水稻中的遷移機制至關重要。然而，水稻傷流液的成分過于復雜，而且與其他物質的濃度相比，傷流液中重金屬離子的濃度太低。其他物質的嚴重干擾和高檢測限對傷流液中重金屬離子的電化學檢測帶來了巨大的挑戰。

合肥物質科學研究院黃行九研究小組利用簡單易制備的納米材料實現了對水稻傷流液中重金屬離子的高靈敏、選擇性電化學檢測，這將可能為水稻植株的根、莖、葉和果實中重金屬離子的檢測提供一種簡單有效的方法。

研究人員研究了基于谷胱甘肽功能化的金/多壁碳納米管納米材料作為敏感界面用于電分析水稻傷流液中鉛離子。實驗結果表明，該材料敏感界面不僅能高靈敏地檢測鉛離子，而且不受傷流液中其它共存物質的干擾。大量小尺寸的金納米粒子均勻且致密地固定在谷胱甘肽功能化的碳納米管上，阻止了金納米粒子的團聚，使得金/多壁碳納米管納米材料電極在6個月的穩定性測試中表現出非常優異的穩定性。表明在電化學預富集過程中，金/多壁碳納米管納米材料對鉛離子的吸附能力高于對其他離子的吸附能力，從而提高了電化學檢測的選擇性。

兼顧靈敏與強度的導電水凝膠傳感器

如何在實現高可拉伸性的同時保證線性高靈敏度和可靠性是水凝膠用于柔性應變傳感器面臨的重要瓶頸問題。寧波材料技術與工程研究所研究員付俊團隊研發了一種基于高強度導電水凝膠的線性高靈敏度應變傳感器。

其使用的導電凝膠是由柔性的丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酯共聚物（P（AAm-co-HEMA））與原位生成的剛性聚苯胺（PANI）組成的半互穿網絡水凝膠，其中P（AAm-co-HEMA）與PANI之間依靠氫鍵作用實現柔性絕緣網絡與剛性導電網絡之間的緊密結合。基于這樣的互穿網絡結構，聚苯胺在該體系中的閾值僅為0.5wt/vol%，即可獲得高電導率。這一數值遠小于文獻報道的碳材料或金屬材料在柔性應變傳感器中的應用量。低含量聚苯胺顯著提升了導電凝膠的拉伸韌性（9.19MJ/m3），比母體PAAm-co-HEMA凝膠提高了11倍，電導率提高至8.14s/m（接近純聚苯胺凝膠體系的11s/m）。這種依靠可逆的氫鍵作用結合的互穿網絡使得凝膠對循環載荷具有優異的抗疲勞性（0%～200%大應變循環100次后電性能仍穩定），在0%～300%的大拉伸應變下靈敏度穩定在1.48，對應變具有極高的敏感性（0.23%的壓縮應變下靈敏度為11）。

PANI/PAAm-co-HEMA凝膠具有優異的傳感性能，成功用于監測人體運動或生理信號，包括脈搏、聲帶震動以及關節運動等。其中凝膠傳感器可以清晰地識別手腕的彎曲角度、聲帶的震動波形、幅度與頻率以及脈搏波形，尤其是該傳感器可準確檢測到典型的脈搏雙峰波型，其比值P1/P2是動脈硬化的診斷指標。此外，科研人員還構筑了超靈敏凝膠傳感器陣列，模擬人體皮膚的二維信號感知特征，能及時、準確地反映陣列表面微小的應力刺激，每個陣列單元可分別獨立記錄應力變化，并以電信號形式輸出。

PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝膠的合成示意圖

國際首創新型材料研制VOC氣體傳感器

《自然通訊》近期介紹了南京工業大學黃維院士、黃曉教授和化學與分子工程學院王強教授課題聯合研制的一種氣體傳感器，采用新型敏感材料，對揮發性有機化合物VOC（例如丙酮）的最低可檢測濃度低至0.1ppm，遠優于眾多同類傳感器件。

據悉，“特殊材料”是指用一步液相合成方法制備出來的Sn0.5W0.5S2/SnS2垂直異質結構，在國際上尚屬首創。基于這種垂直異質結構的氣體傳感器，對環境監測和基于呼吸分析檢測疾病的非侵入性診斷非常重要。呼氣分析為一些疾病（例如糖尿病，肺癌）的早期診斷提供了更為有效便捷的手段。臨床數據顯示，糖尿病患者呼出的丙酮濃度超過1.8ppm，而健康人只有0.3ppm～0.9ppm。通過檢測呼氣分析中丙酮的濃度即可確定是否患有糖尿病。

研究人員介紹說，“在‘金叉指’電極上，滴上我們的特制材料，干燥后這種氣體傳感器就可以靈敏地檢測出含有丙酮的空氣污染，還可以通過檢測丙酮濃度來診斷出糖尿病、肺癌病人。”

以往，基于金屬氧化物/硫化物的化學傳感器已用于檢測丙酮，但通常需要非常高的工作溫度（通常≥150℃）才能獲得良好的靈敏度和選擇性。如今，這種基于Sn0.5W0.5S2/SnS2垂直異質結構的傳感器，在室溫下對丙酮就可以具有很高的靈敏度和選擇性，最低可檢測濃度低至0.1ppm。

新型壓電薄膜簡化光聲光譜系統結構

光聲光譜因其靈敏度高、探測不受光波長依賴、結構簡單等特點，研究熱度逐年上升，在各種光聲光譜技術中，懸臂光聲光譜是靈敏度最高的一種技術，但其需要用光學干涉儀測量懸臂振動，結構較為復雜。

最近，安光所高曉明研究團隊國家自然科學基金首次把新型壓電薄膜材料（PVDF）用于懸臂光聲光譜中，光聲信號激發的薄膜振動通過其壓電特性產生的電信號直接探測，免去了復雜的光學干涉儀，有望極大的簡化高靈敏度懸臂光聲光譜技術的結構。壓電薄膜極強的柔韌性將極大提高懸臂光聲光譜的環境適應性；壓電薄膜的耐腐蝕特性使其可用于強腐蝕性樣品（O3、NO2、NH3等）的測量應用等。該技術的可行性通過測量大氣H2O分子得到了驗證。