湿度管理在农业种植、精密电子存储和能源汲取等方面都发挥着至关重要的作用。一个理想的湿度管理系统不仅能主动调节环境湿度，还能实时监测湿度动态变化，从而实现精确的反馈调节。另外，对材料吸湿-解吸循环进行实时监测和精确反馈，也有助于精确研究热力学和动力学，以实现可持续运行和有效性能提升。然而，传统的重量分析法存在跟踪速度慢、精度有限以及无法进行原位检测的问题，并且在当前的技术途径中湿度调节和监测这两项功能基本上是分离的。因此，利用原位检测方法实现水分子的精确动态感知和湿度调控的有效集成仍然是亟待解决的重要问题。

  近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋关键材料全国重点实验室陈涛研究员和肖鹏研究员提出一种全新的材料设计思路，通过“界面限域聚合”和“阵列化集成”构筑了一种基于核壳聚合物凝胶的柔性吸湿电子器件（FHE），有效集成吸湿感知和湿度调控功能，实现对吸湿-解吸动态过程的实时监测以及智能化湿度管理。

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

  研究团队构筑的FHE由三个功能部分组成：用于水分捕获和吸湿感知的TEMPO-CNF气凝胶内核、用于传感和超疏水防护的聚吡咯（Ppy）外壳以及用于封装凝胶单元的柔性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底。FHE作为一个可粘贴的电子装置，可实现密闭空间内吸湿感知、湿度敏感的贵重物品（如镜头和CPU）的湿度调节以及感知预警（图1a）。湿度管理过程通过FHE对湿气吸收和解吸过程实现（图1b）。吸湿感知由FHE在吸湿-解吸过程中电阻的动态变化完成（图1c）。研究人员还对FHE内核和外壳分别进行了单独的吸湿电信号检测，验证了FHE吸湿感知过程中电阻的动态变化源于吸湿性凝胶内核离子浓度的变化（图1d）。同时，FHE具有优异的湿气响应性能（图1e），实时的电信号追踪数据论证了FHE对动态吸湿-解吸过程的实时监测和自反馈功能的智能湿度调节（图1f）。良好的柔韧性也可有效地适应不同应用场景下变形过程中产生的应变能（图1h）。

图1. 柔性吸湿电子器件（FHE）用于水分子动态监测和智能湿度调节。（a）所提出的智能FHE阵列的概念。FHE吸湿自感知凝胶的电阻值随着吸湿-解吸过程变化，从而实现智能湿度管理和吸湿感应。（b）FHE的湿度管理机制示意图。（c）FHE的实时水分监测和吸湿感知机制示意图。（d）从干燥状态到90%相对湿度的FHE单元内核和Ppy外壳的动态吸湿感知ΔI/I₀曲线。（e）FHE单元在30%、50%、70%和90%相对湿度下的响应时间。（f）FHE湿度管理和吸湿感知曲线。（g）FHE单元的光学图像及其横截面。（h）具有不同柔性变形状态的FHE的光学图像。

  进一步，研究人员对FHE单元进行了详细的表征分析。首先，图2a从分子角度进一步解释了硅氧烷（-Si-O-）骨架和侧甲基赋予了FHE优异的柔韧性和化学稳定性。Ppy外壳通过界面限域聚合方法均匀沉积在TEMPO-CNF表面（图2b）。FHE聚吡咯外壳独特的微纳结构，使其对液态水表现出超疏水性，同时对水蒸气保持高度渗透性，具有很好的疏水防护（图2c和d）。FHE单元也可实现多级结构制备，这对于在不同的场景和不同维度的湿度管理应用至关重要（图2e）。值得注意的是，FHE单元也可以使用细菌纤维素（BC）、海藻酸钠（SA）和羧甲基纤维素（CMC）等多种生物质材料制备而成，表现出很好的普适性（图2f）。

图2. FHE单元的制备和表征。（a）FHE基底结构和化学信息示意图。（b）FHE单元的完整和横截面光学照片。（c）FHE单元横截面的SEM图像，显示了核壳界面以及Ppy层和TEMPO-CNF-LiCl气凝胶的详细视图。（d）FHE单元传感外壳和吸湿内核的接触角。（e）FHE单元的多级结构和复杂3D结构光学照片。（f）分别由BC-LiCl、SA-LiCl和CMC-LiCl内核制备的FHE单元的光学照片。

  通过分子模拟进一步验证并阐明FHE核壳界面形成和吸湿感知电信号变化机制。模拟过程中，吡咯单体快速聚集并随后在TEMPO-CNF气凝胶表面形成Ppy链，最后阶段由数百个相互连接的Ppy链自组装组成超疏水外壳，包裹着TEMPO-CNF气凝胶核心（图3a）。TEMPO-CNF的羧基和羟基与吡咯的氮基序相互作用，在氢键和与Ppy链的π-π相互作用下，使FHE单元维持核壳结构的稳定（图3b）。进一步，研究人员对TEMPO-CNF气凝胶基质内的离子扩散动力学和传输特性进行了吸湿-解吸过程的全面模拟分析。在干燥状态下，TEMPO-CNF孔壁处的LiCl晶体很难解离，离子以晶体形式保持相对静止的状态（图3c）。然而，在吸湿状态下大量LiCl晶体解离，水合Li⁺和Cl^-在模拟电场作用下沿相反方向自由移动（图3d）。该模拟结果表明，TEMPO-CNF气凝胶内核离子水合及扩散运动是吸湿传感的关键因素，电信号动力学变化的定量模拟数据也证明模拟结果与吸湿感知实验结果及理论的一致性（图3e-g）。

图3. FHE凝胶单元形成和离子扩散动力学模拟。（a）TEMPO-CNF气凝胶表面Ppy链形成的MD模拟。（b）Ppy壳形成和核壳分子力的MD模拟。Li⁺和Cl^-（c）干燥状态和（d）吸湿状态下在TEMPO-CNF气凝胶内核中的扩散运动和变化。（e）根据MD模拟默认程序格式计算的吡咯和TEMPO-CNF数量密度。（f）在30%、50%和90%相对湿度下，Cl^-和Li⁺在TEMPO-CNF气凝胶内核扩散的均方位移（MSD）。通过拟合MSD数据获得离子的扩散系数。（g）TEMPO-CNF气凝胶在30%至90%相对湿度下相对位置的电荷密度。

  基于以上分析，研究人员进行了FHE吸湿性能表征和湿度调控应用。FHE单元的吸湿性归因于亲水基团与水分子结合和LiCl负载发生的离子水合作用（图4a-b）。随着湿度的上升，FHE的吸湿性能递增，在95%RH下可达~3.14 g g^-1（图4d和4e）。图4c显示了吸收湿气后，凝胶内核Li⁺和Cl?的扩散迁移过程。随着相对湿度的增加，FHE表现出明显的电阻下降（图4f）。因此，FHE单元的吸湿感应机制是具有湿度依赖性的：高相对湿度下会增加自由离子和电荷密度并诱导离子迁移，而低相对湿度下会抑制这种效应。FHE单元的稳定性也是湿度调控和吸湿传感的先决条件。如图4g所示，FHE表现出极高的吸湿稳定性，在50个吸附-解吸循环过程中（70%RH）吸湿性能维持在1.8-1.65 g g^-1。另外，为了评估FHE湿度调节性能，我们通过调控FHE单元的数量来保持密封亚克力盒子内相对湿度的稳定, 这可有效保护湿度敏感的精密物件并提供稳定的湿度环境（图4h）。在不同相对湿度的密闭空间中，FHE的湿度调控精度基本保持一致，每单元ΔRH为~2.7%（图4j）。同时，FHE在~60小时内具有出色的长期湿度控制能力（图4k），这进一步证明了FHE湿度调控系统的可靠性和准确性。

图4. FHE的吸湿性能表征和湿度管理应用。（a）FHE与水分子的氢键相互作用和LiCl水合过程示意图。（b）水分子的氢键相互作用示意图。（c）FHE单元吸湿感知过程中水合Cl^-和Li⁺定向运动示意图。FHE在30%至95%的相对湿度变化下的（d）吸湿性能和（e）最佳吸湿值。（f）在不同相对湿度下FHE单元的电阻值。（g）FHE单元和TEMPO-CNF吸湿气凝胶的循环吸附-解吸测试。（h）由密封的亚克力盒子封装的FHE和精密物品组成的湿度调控系统的光学图片。FHE在硬币、电路板、CPU芯片和相机镜头密闭环境下的（i）湿度调节性能和（j）相对湿度变化。（k）FHE的长期湿度调控性能。

  研究人员进一步对FHE吸湿感知性能进行表征和分析。FHE吸湿感知机制示意图如图5a所示，FHE单元在吸湿状态下，观察到吸湿传感器信号（ΔI/I₀）的增加，这归因于LiCl水合引起的离子水合和电荷传输。在解吸状态下，传感器信号降低，对应于水合Cl^-和Li⁺的减少。电流变化分析（图5b）以及湿度梯度下传感信号的同步变化（图5c）进一步阐明FHE单元的吸湿感知行为。另外，从高湿度到底湿度过程中，由于水合离子的减少，传感信号也会呈现下降趋势（图5d）。与用于研究FHE吸湿-解吸行为的传统称重技术相比，ΔI/I₀曲线的电信号变化表现出很强的相关性（图5e），而传感信号可实时监测水分子的吸湿和状态，可以更直观地观察到FHE单元自身状态，而称重无法实现这一功能。此外，图5f-h中的ΔI/I₀曲线使我们能够更细致的分析FHE单元在吸湿、平衡和解吸状态下的离子变化行为。

图5. FHE吸湿感知表征和分析。（a）FHE吸湿-解吸传感机制示意图。（b）FHE在不同湿度下随时间变化的电流曲线。（c）相对湿度梯度下FHE的ΔI/I₀变化曲线。（d）从90%到30%RH，FHE的ΔI/I变化曲线。（e）吸湿-解吸过程中FHE称重的质量变化曲线和FHE吸湿感知的ΔI/I₀曲线。（f）FHE单元在2-3h内的吸湿感知过程、4-5h吸湿平衡过程和6-7h解吸感知过程中的ΔI/I₀动态变化曲线。

  最后，基于FHE吸湿感知和湿度调控能力，研究人员开展了监控镜头湿度调控-预警应用，通过湿气检测、信号采集和反馈的过程建立高效的精密镜头闭环系统，实现镜头防护、内部环境湿度调控以及破损后的提前预警（图6a-c）。如图6d所示，监控装置安装在高楼窗外，通过将FHE阵列集成到监控镜头内部，进行湿度调节和传感预警。图6e为对照装置，当镜头破裂时，过多的水分导致镜头内部水蒸气凝结，污染镜头。然而，FHE集成的监控摄像头破裂后可有效地吸湿并进行湿度调节，防止了镜头模糊和损害，并确保了设备的连续可靠运行（图6f）。通过监控镜头拍摄的实时画面也可发现，对照装置由于湿气的侵入镜头损坏，图片模糊（图6g）。然而，集成FHE的监控摄像头由于其有效的吸湿和调节能力，在很长一段时间内保持了图像清晰度（图6g）。同时，通过吸湿过程中传感信号的上升也可实现镜头破损后的提前预警，从而可采取进一步的预防措施（图6i-l）。

图6. FHE应用于监控镜头的有效湿度调控-预警系统。（a）精密镜头湿度调控-预警系统系统包括透明屏蔽、镜头电路板机构和FHE。（b）FHE阵列的图示和（c）光学图像。（d）室外精密透镜的光学图像。（e）对照组：破裂的监控摄像头的室外光学图像和（f）暴露在高湿度环境中的带有FHE的破裂监控摄像头。（g）通过监控镜头拍摄的室外图像，镜头外壳有裂纹，以及（h）通过FHE集成的监控镜头拍摄的图像，同样暴露在高湿度环境中，外壳有裂纹。FHE单元的吸湿感知使（i）密封监控镜头设备中保持稳定湿度以及在破裂控镜头设备中保持长时间湿度稳定。（k）精密镜头湿度调控-预警系统中RH感知探头的光学图像。（l）暴露在高湿度环境中的FHE集成的破裂监控镜头和对照组的相对湿度变化曲线。

  该研究通过界面限域聚合和阵列集成化设计的凝胶基柔性吸湿感知电子器件实现吸湿-解吸实时监测和智能化湿度管理，并为设备的潜在的密封故障提供远程警告，解决目前普遍存在的吸湿材料湿度调控与吸湿监测难以兼容的问题，在湿度管理交互系统中展示出巨大潜力。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202518207