“魚和熊掌”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)中國古語有云“魚和熊掌不可兼得”，俗話又說“甘蔗不能兩頭甜”，而在材料領(lǐng)域，解決這類矛盾的客觀需求長期以來廣受社會關(guān)注并吸引學(xué)界持續(xù)聚焦研究。

填補彈性鐵電材料領(lǐng)域空白

(相關(guān)資料圖)

來自中國科學(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，該所柔性磁電功能材料與器件團隊最近在實現(xiàn)材料性能的“魚和熊掌”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(tǒng)鐵電材料在可穿戴領(lǐng)域難以在大形變下保持穩(wěn)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(yīng)用研發(fā)重大突破的相關(guān)成果論文，北京時間8月4日凌晨獲國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)在線發(fā)表。

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

另一位審稿人則認(rèn)為，在鐵電材料被發(fā)現(xiàn)后的百年歷史中，和鐵電陶瓷的不超過0.2%的拉伸應(yīng)變到聚合物鐵電材料小于2%的彈性回復(fù)相比，“這是一個突破性的工作，開辟了全新的‘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，鐵電材料與人們生活中常見的鋼鐵沒有什么關(guān)系，“鐵電”一詞來源于這種材料在電場作用下有著和鐵磁材料類似的回滯曲線。鐵電材料是一種神奇的絕緣性功能材料，它自帶電荷，沒有外加電場時，這些電荷處于無序狀態(tài)，一旦有電場作用在鐵電材料上，這些電荷就會重新排列，而且排列的方式會隨著電場的變化而變化。此外，鐵電材料還有記憶能力。它們能夠記住之前的電場狀態(tài)，即便電場不再作用，排列后的電荷也會保持原來的狀態(tài)而不發(fā)生改變。這就使得鐵電材料具備高介電常數(shù)、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(shè)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(shè)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(yīng)屆碩士畢業(yè)生高亮介紹說，近年來，柔性可穿戴器件在便攜式移動電子設(shè)備和人體運動檢測等領(lǐng)域應(yīng)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源于材料中的結(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)的深入研究，創(chuàng)新性提出“彈性鐵電”的概念，通過對材料結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計和控制，實現(xiàn)了鐵電材料鐵電性與彈性的平衡，并制備出在高頻大應(yīng)變下仍然具有良好鐵電響應(yīng)的彈性材料，這種材料的拉伸率高達(dá)125%，也就是說把它拉伸到原來長度的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(fù)原狀。

制備彈性鐵電材料的方法被研究團隊稱之為“微交聯(lián)法”，與傳統(tǒng)的鐵電材料主要為線性結(jié)構(gòu)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，相互交織形成具有彈性的漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散地將鐵電晶體連接在一起，在外力作用時，可以產(chǎn)生可逆的形變來吸收外力，避免外力對結(jié)晶部分的破壞，進(jìn)而使材料在一定拉伸范圍內(nèi)依舊能夠保持穩(wěn)定的鐵電性。而在外力撤銷時，這種彈性的漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠回復(fù)至初始狀態(tài)。

高亮稱，采用最新研發(fā)的方法，研究團隊通過精確控制交聯(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(yīng)。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(wěn)定性，可以承受數(shù)千次的反復(fù)拉伸而鐵電性依然保持穩(wěn)定。它在受力后能夠恢復(fù)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(rèn)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(yī)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，不僅隨身攜帶會更加方便，甚至可以集成在衣物或者手套之上。”胡本林展望研究成果的應(yīng)用前景時說。(完)

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