“魚(yú)和熊掌”兼得！中國科學(xué)家全球率先研發(fā)彈性鐵電材料填補空白

中新網(wǎng)北京8月4日電 (記者 孫自法)中國古語(yǔ)有云“魚(yú)和熊掌不可兼得”，俗話(huà)又說(shuō)“甘蔗不能兩頭甜”，而在材料領(lǐng)域，解決這類(lèi)矛盾的客觀(guān)需求長(cháng)期以來(lái)廣受社會(huì )關(guān)注并吸引學(xué)界持續聚焦研究。

填補彈性鐵電材料領(lǐng)域空白

(相關(guān)資料圖)

來(lái)自中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所(寧波材料所)的最新消息說(shuō)，該所柔性磁電功能材料與器件團隊最近在實(shí)現材料性能的“魚(yú)和熊掌”兼得方面取得重大突破——在全球率先研發(fā)出兼具彈性與鐵電性的新型高分子鐵電材料，可有效解決傳統鐵電材料在可穿戴領(lǐng)域難以在大形變下保持穩定性能的難題，填補了彈性鐵電材料領(lǐng)域的空白。

由中國科學(xué)家完成這項材料理論研究及應用研發(fā)重大突破的相關(guān)成果論文，北京時(shí)間8月4日凌晨獲國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)在線(xiàn)發(fā)表。

《科學(xué)》期刊審稿人評價(jià)稱(chēng)，這項研究工作“絕對令人驚嘆，毫無(wú)疑問(wèn)是本領(lǐng)域的一個(gè)里程碑。鑒于在彈性體和鐵電體兩個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的吸引力，本工作毫無(wú)疑問(wèn)值得發(fā)表，尤其是用了一個(gè)非同尋常且極其震撼的設計策略”。

另一位審稿人則認為，在鐵電材料被發(fā)現后的百年歷史中，和鐵電陶瓷的不超過(guò)0.2%的拉伸應變到聚合物鐵電材料小于2%的彈性回復相比，“這是一個(gè)突破性的工作，開(kāi)辟了全新的‘彈性鐵電’學(xué)科研究方向”。

柔性制造亟需鐵電材料彈性化

論文共同通訊作者、中國科學(xué)院寧波材料所胡本林研究員科普稱(chēng)，鐵電材料與人們生活中常見(jiàn)的鋼鐵沒(méi)有什么關(guān)系，“鐵電”一詞來(lái)源于這種材料在電場(chǎng)作用下有著(zhù)和鐵磁材料類(lèi)似的回滯曲線(xiàn)。鐵電材料是一種神奇的絕緣性功能材料，它自帶電荷，沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，這些電荷處于無(wú)序狀態(tài)，一旦有電場(chǎng)作用在鐵電材料上，這些電荷就會(huì )重新排列，而且排列的方式會(huì )隨著(zhù)電場(chǎng)的變化而變化。此外，鐵電材料還有記憶能力。它們能夠記住之前的電場(chǎng)狀態(tài)，即便電場(chǎng)不再作用，排列后的電荷也會(huì )保持原來(lái)的狀態(tài)而不發(fā)生改變。這就使得鐵電材料具備高介電常數、壓電性、熱電性、電制冷性等特性，可以用在計算機存儲器、高精度電機、超敏感傳感器和聲納設備等電子產(chǎn)品中，也是日常使用的手機、平板電腦等電子設備中必不可少的材料之一。

論文第一作者、中國科學(xué)院寧波材料所2023年應屆碩士畢業(yè)生高亮介紹說(shuō)，近年來(lái)，柔性可穿戴器件在便攜式移動(dòng)電子設備和人體運動(dòng)檢測等領(lǐng)域應用前景廣闊，受到廣泛關(guān)注和研究。作為制造柔性可穿戴器件的重要材料之一，鐵電材料的彈性化也迫在眉睫，但是研究制備彈性化鐵電材料卻舉步維艱。這是因為鐵電材料的鐵電性來(lái)源于材料中的結晶部分，但晶體本身幾乎不具備彈性，拉伸率一般低于5%且沒(méi)有回彈能力，所以鐵電性和彈性對于鐵電材料而言很難兼顧，也讓眾多科研機構望而卻步。

創(chuàng )新提出“彈性鐵電”概念

胡本林研究員表示，本項成果中，基于中國科學(xué)院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊對鐵電材料結構的深入研究，創(chuàng )新性提出“彈性鐵電”的概念，通過(guò)對材料結構的精準設計和控制，實(shí)現了鐵電材料鐵電性與彈性的平衡，并制備出在高頻大應變下仍然具有良好鐵電響應的彈性材料，這種材料的拉伸率高達125%，也就是說(shuō)把它拉伸到原來(lái)長(cháng)度的2倍后，不但能保持原有的鐵電性，而且還能在外力撤除后迅速恢復原狀。

制備彈性鐵電材料的方法被研究團隊稱(chēng)之為“微交聯(lián)法”，與傳統的鐵電材料主要為線(xiàn)性結構不同，“微交聯(lián)法”用微量的柔軟鏈狀聚合物，讓鐵電晶體周邊非晶的纏繞部分交聯(lián)起來(lái)，相互交織形成具有彈性的漁網(wǎng)狀結構。這種漁網(wǎng)狀結構松散地將鐵電晶體連接在一起，在外力作用時(shí)，可以產(chǎn)生可逆的形變來(lái)吸收外力，避免外力對結晶部分的破壞，進(jìn)而使材料在一定拉伸范圍內依舊能夠保持穩定的鐵電性。而在外力撤銷(xiāo)時(shí)，這種彈性的漁網(wǎng)狀結構能夠回復至初始狀態(tài)。

高亮稱(chēng)，采用最新研發(fā)的方法，研究團隊通過(guò)精確控制交聯(lián)劑的用量，可以確保鐵電晶體能夠均勻地分布在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò )中，使材料在交聯(lián)后也能保持較好的鐵電響應。這種彈性鐵電材料不僅具有很好的拉伸回彈性，而且具有極好的拉伸穩定性，可以承受數千次的反復拉伸而鐵電性依然保持穩定。它在受力后能夠恢復原狀，避免永久變形，從而大大提高可靠性和使用壽命，并拓展使用范圍。

論文共同通訊作者、中國科學(xué)院寧波材料所李潤偉研究員認為，“微交聯(lián)法”為鐵電材料插上了一雙彈性化的翅膀，用彈性鐵電材料做成的傳感器將更加隨和，具有更高的測量精度、更好的穿戴舒適性，將為智慧醫療、智能可穿戴等領(lǐng)域創(chuàng )造更廣闊的想象空間。

“有了彈性鐵電材料，我們的手機就離柔軟貼身可任意彎折又近了一步，不僅隨身攜帶會(huì )更加方便，甚至可以集成在衣物或者手套之上?！焙玖终雇芯砍晒膽们熬皶r(shí)說(shuō)。(完)

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