新研究

我国首次实现液态金属驱动的功能性轮式移动机器人

来自《先进材料》杂志消息，中国科学技术大学张世武研究团队联合澳大利亚伍伦贡大学李卫华研究团队和苏州大学机器人与微系统中心李相鹏研究团队，设计了基于镓基室温液态金属的新型机器人驱动器，首次实现液态金属驱动的功能性轮式移动机器人。

研究人员设计了一种具有超疏水表面的极轻半封闭轮式结构，将液态金属液滴限制在狭长的轮体内部；通过巧妙设计的随动微型电极支架施加外部电场驱动轮体内液态金属运动，进而持续改变轮式机器人的重心，驱动轮式机器人滚动。同时，研究人员对所提出的新型液态金属机器人做了动力学建模与分析，并通过实验探索了电解液浓度、施加电压、液态金属体积、轮体结构等参数对机器人运动性能的影响，获得驱动运动的最佳参数匹配。进一步，通过集成电池系统，研究人员成功设计了新型液态金属自驱动轮式移动机器人。这一创新研究有望启发一种新型驱动方式，弥补传统的机器人驱动方式（电机、液压及气动等）结构复杂、体积大以及驱动能效低等不足，促进未来微小机器人及特种机器人系统的发展。

第一个无需外加H2O2铁自氧化过程痕量-OH光学探针

羟基自由基（-OH）是人体内一种重要的活性氧物种，具有极强的反应活性，能够损伤蛋白质、DNA及脂类等重要生物分子，进而引发神经性疾病、癌症等。目前，广泛认可的生物体内-OH产生途径是Fenton反应（Fe2++ H2O2）。考虑到细胞内溶解O2的浓度远远高于H2O2的稳态浓度，因此铁自氧化过程（Fe2++ O2）可能也在-OH的产生上扮演着重要角色。然而，由于缺乏灵敏的分析方法来检测铁自氧化过程中产生的痕量-OH，这一过程的重要性往往被人们所忽视。

最近，在国家自然科学基金委、科技部和中科院的大力支持下，中国科学院化学研究所马会民课题组研制出了第一个可以检测这种无需外加H2O2的铁自氧化过程中痕量-OH的光学探针。该研究利用了-OH对芳香化合物独特的羟基化作用，以有效避免其它活性氧物种 (如OCl-、ONOO-) 的干扰；同时，由于-OH具有亲电性，所以在芳香环上引入强的供电子甲氧基，提高了探针对-OH的捕获能力。探针与-OH反应后，通过电子重排，导致π-共轭体系扩展并产生强的近红外荧光发射，具有高的分析灵敏度。

目前该探针已成功用于活细胞内铁自氧化过程中痕量-OH的荧光成像分析，其优越的分析性能和广泛应用将有助于理解铁自氧化过程的生理学及病理学作用。

以简单方法实现复杂水稻伤流液重金属离子检测

水稻中的重金属离子通过食物链对人类健康构成威胁。检测水稻伤流液中的重金属离子对于探究重金属离子在水稻中的迁移机制至关重要。然而，水稻伤流液的成分过于复杂，而且与其他物质的浓度相比，伤流液中重金属离子的浓度太低。其他物质的严重干扰和高检测限对伤流液中重金属离子的电化学检测带来了巨大的挑战。

合肥物质科学研究院黄行九研究小组利用简单易制备的纳米材料实现了对水稻伤流液中重金属离子的高灵敏、选择性电化学检测，这将可能为水稻植株的根、茎、叶和果实中重金属离子的检测提供一种简单有效的方法。

研究人员研究了基于谷胱甘肽功能化的金/多壁碳纳米管纳米材料作为敏感界面用于电分析水稻伤流液中铅离子。实验结果表明，该材料敏感界面不仅能高灵敏地检测铅离子，而且不受伤流液中其它共存物质的干扰。大量小尺寸的金纳米粒子均匀且致密地固定在谷胱甘肽功能化的碳纳米管上，阻止了金纳米粒子的团聚，使得金/多壁碳纳米管纳米材料电极在6个月的稳定性测试中表现出非常优异的稳定性。表明在电化学预富集过程中，金/多壁碳纳米管纳米材料对铅离子的吸附能力高于对其他离子的吸附能力，从而提高了电化学检测的选择性。

兼顾灵敏与强度的导电水凝胶传感器

如何在实现高可拉伸性的同时保证线性高灵敏度和可靠性是水凝胶用于柔性应变传感器面临的重要瓶颈问题。宁波材料技术与工程研究所研究员付俊团队研发了一种基于高强度导电水凝胶的线性高灵敏度应变传感器。

其使用的导电凝胶是由柔性的丙烯酰胺-甲基丙烯酸羟乙酯共聚物（P（AAm-co-HEMA））与原位生成的刚性聚苯胺（PANI）组成的半互穿网络水凝胶，其中P（AAm-co-HEMA）与PANI之间依靠氢键作用实现柔性绝缘网络与刚性导电网络之间的紧密结合。基于这样的互穿网络结构，聚苯胺在该体系中的阈值仅为0.5wt/vol%，即可获得高电导率。这一数值远小于文献报道的碳材料或金属材料在柔性应变传感器中的应用量。低含量聚苯胺显著提升了导电凝胶的拉伸韧性（9.19MJ/m3），比母体PAAm-co-HEMA凝胶提高了11倍，电导率提高至8.14s/m（接近纯聚苯胺凝胶体系的11s/m）。这种依靠可逆的氢键作用结合的互穿网络使得凝胶对循环载荷具有优异的抗疲劳性（0%～200%大应变循环100次后电性能仍稳定），在0%～300%的大拉伸应变下灵敏度稳定在1.48，对应变具有极高的敏感性（0.23%的压缩应变下灵敏度为11）。

PANI/PAAm-co-HEMA凝胶具有优异的传感性能，成功用于监测人体运动或生理信号，包括脉搏、声带震动以及关节运动等。其中凝胶传感器可以清晰地识别手腕的弯曲角度、声带的震动波形、幅度与频率以及脉搏波形，尤其是该传感器可准确检测到典型的脉搏双峰波型，其比值P1/P2是动脉硬化的诊断指标。此外，科研人员还构筑了超灵敏凝胶传感器阵列，模拟人体皮肤的二维信号感知特征，能及时、准确地反映阵列表面微小的应力刺激，每个阵列单元可分别独立记录应力变化，并以电信号形式输出。

PANI/P(AAm-co-HEMA)水凝胶的合成示意图

国际首创新型材料研制VOC气体传感器

《自然通讯》近期介绍了南京工业大学黄维院士、黄晓教授和化学与分子工程学院王强教授课题联合研制的一种气体传感器，采用新型敏感材料，对挥发性有机化合物VOC（例如丙酮）的最低可检测浓度低至0.1ppm，远优于众多同类传感器件。

据悉，“特殊材料”是指用一步液相合成方法制备出来的Sn0.5W0.5S2/SnS2垂直异质结构，在国际上尚属首创。基于这种垂直异质结构的气体传感器，对环境监测和基于呼吸分析检测疾病的非侵入性诊断非常重要。呼气分析为一些疾病（例如糖尿病，肺癌）的早期诊断提供了更为有效便捷的手段。临床数据显示，糖尿病患者呼出的丙酮浓度超过1.8ppm，而健康人只有0.3ppm～0.9ppm。通过检测呼气分析中丙酮的浓度即可确定是否患有糖尿病。

研究人员介绍说，“在‘金叉指’电极上，滴上我们的特制材料，干燥后这种气体传感器就可以灵敏地检测出含有丙酮的空气污染，还可以通过检测丙酮浓度来诊断出糖尿病、肺癌病人。”

以往，基于金属氧化物/硫化物的化学传感器已用于检测丙酮，但通常需要非常高的工作温度（通常≥150℃）才能获得良好的灵敏度和选择性。如今，这种基于Sn0.5W0.5S2/SnS2垂直异质结构的传感器，在室温下对丙酮就可以具有很高的灵敏度和选择性，最低可检测浓度低至0.1ppm。

新型压电薄膜简化光声光谱系统结构

光声光谱因其灵敏度高、探测不受光波长依赖、结构简单等特点，研究热度逐年上升，在各种光声光谱技术中，悬臂光声光谱是灵敏度最高的一种技术，但其需要用光学干涉仪测量悬臂振动，结构较为复杂。

最近，安光所高晓明研究团队国家自然科学基金首次把新型压电薄膜材料（PVDF）用于悬臂光声光谱中，光声信号激发的薄膜振动通过其压电特性产生的电信号直接探测，免去了复杂的光学干涉仪，有望极大的简化高灵敏度悬臂光声光谱技术的结构。压电薄膜极强的柔韧性将极大提高悬臂光声光谱的环境适应性；压电薄膜的耐腐蚀特性使其可用于强腐蚀性样品（O3、NO2、NH3等）的测量应用等。该技术的可行性通过测量大气H2O分子得到了验证。