中科院宁波材料所陈涛、肖鹏AM：新型柔性吸湿电子器件，实现实时湿度监测与智能调控

在精密电子、先进存储、热管理与能源应用等领域，湿度调节至关重要。然而，现有的湿度管理技术往往将“调节”与“监测”功能分离。传统重量法跟踪速度慢、精度有限，且难以在密闭空间内进行原位检测，无法满足对水分子吸附-脱附过程进行实时、灵敏监测的需求，这成为实现智能湿度精准调控的一大挑战。

近日，中科院宁波材料所陈涛研究员、肖鹏副研究员团队开发出一种柔性吸湿电子器件（FHE），它能够同时调控环境湿度并动态监测吸湿与脱附过程。该器件基于水分子介导的电阻变化原理，在90%相对湿度下响应时间快至约2.1秒，循环稳定性超过50次，表现出优异的性能。通过构建模块化传感器阵列，该系统可根据需要调整密闭空间的湿度，并在设备外壳受损时维持内部湿度稳定超过3.5小时，同时发出传感警报，为设备密封失效提供早期远程预警。相关论文以“Flexible Hygroscopic Electronics for Real-Time Moisture Sorption-Desorption Monitoring and Smart Humidity Regulation”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队设计的FHE是一个智能核壳系统。其核心是负载氯化锂（LiCl）的TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TEMPO-CNF）气凝胶，负责捕获水分；外壳则为聚吡咯（PPy）导电层，并经全氟癸基三乙氧基硅烷（PFTS）改性，兼具超疏水性与透气性。整个器件以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为柔性基底封装。图1清晰地展示了这一概念：FHE阵列通过凝胶电阻值的变化，同步完成湿度调控与吸湿传感任务。其工作机制在于，当环境湿度升高时，水蒸气透过PPy外壳被亲水性的TEMPO-CNF核心和LiCl盐通过氢键和水合作用捕获，导致LiCl电离，离子浓度和迁移率增加，核心电阻显著降低；而在脱附状态下，利用PPy外壳的光热效应加热核心，释放水分子，离子复合且迁移率下降，电阻恢复至高值。图1d-e进一步显示，从干燥状态到90%RH，核心的电信号变化显著，而外壳电信号保持稳定，证实核心是传感响应的主要贡献者，且器件在不同湿度下均具备快速响应能力。

图1 用于实时湿度监测与智能调控的柔性吸湿电子器件（FHE）。 (a) 所提出的智能FHE阵列概念图。基于吸湿自感知聚合物凝胶的FHE通过其吸附与脱附过程改变凝胶电阻值，从而完成智能湿度调控与吸湿传感任务。(b) FHE的湿度调控机制示意图。(c) FHE的实时湿度监测与吸湿传感机制示意图。(d) TEMPO-CNF-LiCl核心与PPy外壳从干燥状态到90%相对湿度（RH）的吸湿传感动态ΔI/I₀曲线。(e) FHE单元在30%、50%、70%和90% RH下的湿度响应时间动态ΔI/I₀曲线。(f) 智能FHE系统的湿度调控与吸湿传感曲线。(g) FHE阵列单元的光学照片及其截面图。(h) 处于不同柔性变形状态的FHE光学照片。

图2详细呈现了FHE单元的制备与结构特征。通过冷冻干燥法制备TEMPO-CNF气凝胶核心，并采用亲水/疏水界面限制聚合法，在气凝胶表面原位聚合形成坚固且超疏水的PPy外壳。扫描电镜图像清晰展示了核壳界面以及核心的多孔结构。该外壳的接触角高达约150°，具有优异的超疏水性，却能高效透过水蒸气，其透湿率与传统透气棉布相当。这种“拒液态水而透水汽”的智能特性，类似于荷叶的自清洁原理。

图2 FHE单元的制备与表征。 (a) 展示FHE结构和化学信息的示意图。(b) FHE单元的整体和截面光学照片。(c) FHE截面的SEM图像，展示了核壳系统界面，以及PPy层和TEMPO-CNF-LiCl气凝胶的细节视图。(d) FHE单元传感外壳和吸湿核心的接触角。(e) FHE单元的多层级结构和复杂三维结构光学照片。(f) 分别由BC-LiCl、SA-LiCl或CMC-LiCl核心构成的各种FHE单元的光学照片。

为了从分子层面理解核壳结构的形成与传感机制，研究团队进行了分子动力学模拟。图3的模拟结果表明，PPy链通过氢键和π-π相互作用在TEMPO-CNF表面自组装形成外壳。模拟还深入揭示了吸湿传感的根源：在高湿度环境下，LiCl水合解离，Li⁺和Cl⁻离子扩散能力显著增强，导致电荷密度升高和核心电阻下降；而在低湿度下，离子迁移受限。这一模拟结果与实验观测到的电阻变化物理原理一致。

图3 FHE单元形成及离子扩散动力学的分子动力学模拟。 (a) Ppy链在TEMPO-CNF气凝胶表面形成的MD模拟。(b) Ppy外壳形成及核壳分子间作用力的MD模拟。(c) 干燥状态下和(d) 吸湿状态下，Li⁺和Cl⁻在TEMPO-CNF气凝胶核心模型中的扩散运动与变化。(e) 根据MD模拟默认程序格式计算得到的吡咯和TEMPO-CNF数量密度。(f) Cl⁻和Li⁺在30%、50%和90% RH条件下，于TEMPO-CNF气凝胶模型表面扩散的均方位移。离子扩散系数通过拟合MSD数据获得。(g) TEMPO-CNF气凝胶核心在30%到90%不同RH下，于相对位置处的电荷密度与迁移扩散情况。

FHE器件的吸湿性能与调控应用通过图4予以展示。负载约15 wt.% LiCl的优化FHE单元在不同湿度下展现出可观的吸水量，且电阻值随湿度升高而规律性下降。经过50次吸湿-脱附循环，其性能保持高度稳定，这得益于高强度、半透性的疏水外壳有效防止了盐泄漏。通过控制阵列中FHE单元的数量，可以在密闭的亚克力箱体内实现稳定且精确的湿度调控，内部相对湿度波动可控制在每个单元约2.7%。

图4 FHE的吸湿性能与湿度调控应用。 (a) FHE单元的水分子键合与LiCl水合过程示意图。(b) FHE单元通过氢键相互作用形成结合水的示意图。(c) FHE单元传感过程中，水合Cl⁻和Li⁺定向移动示意图。(d) FHE单元在不同RH（30%至95%）下的吸湿性能。(e) FHE单元在不同RH下的优化吸湿值。(f) FHE单元在不同RH下的电阻值。(g) FHE单元与TEMPO-CNF吸湿气凝胶的循环吸湿-脱附测试。(h) 由密封亚克力盒、FHE及贵重物品组成的湿度调控系统的光学图像。(i) FHE在钱币、电路板、CPU芯片和相机镜头环境下的湿度调控性能。(j) FHE在上述环境下优化的相对湿度变化。(k) FHE的长期湿度调控性能。

图5着重分析了FHE的吸湿传感特性。通过监测相对电流变化（ΔI/I₀），可以实时反映器件的吸湿状态。实验表明，ΔI/I₀与湿度正相关，且在长达18个月后性能未出现明显衰减。该器件不仅能通过电流变化监测吸湿/脱附动力学，其响应由湿度梯度驱动，在密封空间出现破损时，能通过持续的电流增长信号提供早期预警。

图5 FHE吸湿传感特性分析。 (a) FHE单元蒸发与吸湿传感机制示意图。(b) FHE单元在不同湿度下随时间变化的电流曲线。(c) FHE单元在相对湿度梯度下的ΔI/I₀变化曲线。(d) FHE单元从90% RH降至30% RH的ΔI/I₀变化曲线。(e) 在吸湿-脱附过程中，通过称重得到的FHE单元质量变化曲线与通过FHE单元吸湿传感得到的ΔI/I₀曲线对比图。(f) FHE单元在2-3小时吸湿传感过程中的ΔI/I₀动态变化曲线，(g) 4-5小时吸湿平衡过程，及(h) 6-7小时蒸发脱附传感过程。

作为概念验证，图6展示了FHE在精密光学监控系统中的应用。将FHE阵列集成到监控摄像头外壳内，当保护罩出现裂纹、外界高湿空气涌入时，集成FHE的设备能有效吸附水分，将镜头内部湿度维持在适宜范围（约57%-60%）长达3.5小时以上，从而防止镜头起雾，保障图像清晰；而未加保护的对照设备则迅速受潮，镜头模糊。同时，FHE的传感信号能及时指示密封失效的风险。

图6 FHE用于精密镜头有效保护-监测系统的湿度调控应用。 (a) 精密镜头保护-监测系统，包含透明保护罩、镜头-电路板机构和FHE。(b) FHE阵列示意图及(c)光学图像。(d) 户外精密镜头系统光学图像。(e) “对照组”开裂监控摄像头单元及(f) 集成FHE的开裂监控摄像头单元暴露于高湿环境的户外光学图像。(g) 通过有开裂镜头外壳的对照组镜头拍摄的户外图像，及(h) 通过同样有开裂外壳但集成FHE的镜头在高湿环境下拍摄的图像。对比密封(i)和开裂(j)外壳下，FHE单元的吸湿传感信号及监控镜头装置内的平均相对湿度。(k) 精密镜头系统中的RH感知探头光学图像。(l) 暴露于高湿环境下，开裂监控镜头装置中FHE单元与“对照组”的RH曲线。

综上所述，这项研究成功开发出一种集吸湿、传感与调控于一体的柔性电子系统，实现了从传统“湿度传感”到“吸湿传感”的概念跨越。该FHE系统不仅能主动吸收意外侵入的湿气，实时监测水分动态，还能为设备潜在密封风险提供早期预警，在精密电子保护、仓储管理等领域展现出广阔的应用前景。