我国科学家打造出有弹性的铁电材料

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称“中国科学院宁波材料所”）柔性磁电功能材料与器件团队在全球率先研发出了兼具弹性回复与铁电性的新型高分子铁电材料，有效解决了传统铁电材料在可穿戴领域难以在大形变下保持稳定性能的难题，填补了弹性铁电材料领域的空白。相关论文于8月4日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表。  H[fD >  
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铁电材料是一种神奇的绝缘性功能材料，它的表面自带电荷，没有外加电场时，这些电荷处于无序状态，一旦有电场作用在铁电材料上，这些电荷就会重新排列，而且排列的方式会随着电场的变化而变化。此外，铁电材料还有记忆能力。它们能够记住之前的电场状态，即便电场不再作用，排列后的电荷也会保持原来的状态而不发生改变。这就使得铁电材料具备高介电常数、压电性、热电性、电制冷性等特性，可以用在计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声纳设备等电子产品中，也是我们日常使用的手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料之一。 rXo,\zI;u^  
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近年来，柔性可穿戴器件在便携式移动电子设备和人体运动检测等领域应用前景广阔，受到了广泛的研究。作为制造柔性可穿戴器件的重要材料之一，铁电材料的弹性化也迫在眉睫，但是研究制备弹性化铁电材料却举步维艰。这是因为铁电材料的铁电性来源于材料中的结晶部分，但晶体本身几乎不具备弹性，拉伸率一般低于5%且没有回弹能力，所以铁电性和弹性对于铁电材料而言很难兼顾，更让众多科研机构望而却步。 N{L]H_=  
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甘蔗真就不能两头甜吗？中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队基于对铁电材料结构的深入研究，创新性地提出了“弹性铁电”的概念，通过对材料结构的精准设计和控制，实现了铁电材料铁电性与弹性的平衡，制备出了在高频大应变下仍然具有良好铁电响应的弹性材料，这种材料的拉伸率高达125%，也就是说把它拉伸到原来长度的2倍后，不但能保持原有的铁电性，而且还能在外力撤除后迅速恢复原状。 nS]/=xP{  
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制备弹性铁电材料的方法被团队称之为“微交联法”。传统的铁电材料主要为线性结构，排列规整的部分形成结晶区提供铁电性，而剩余的分子链相互缠绕在一起。由于线性的分子链间没有共价连接，一旦施加外力，这种相互缠绕就会解开，进而导致结晶区被破坏，影响其铁电性。研究团队采用“微交联法”，用微量的柔软链状聚合物，让铁电晶体周边非晶的缠绕部分交联起来，相互交织形成具有弹性的渔网状结构。这种渔网状结构松散地将铁电晶体连接在一起，在外力作用时，可以产生可逆的形变来吸收外力，避免外力对结晶部分的破坏，进而使材料在一定拉伸范围内依旧能够保持稳定的铁电性。而在外力撤销时，这种弹性的渔网状结构能够回复至初始状态。此外，通过精确控制交联剂的用量，可以确保铁电晶体能够均匀地分布在交联网络中，使材料在交联后也能保持较好的铁电响应。这种弹性铁电材料不仅具有很好的拉伸回弹性，而且具有极好的拉伸稳定性，可以承受数千次的反复拉伸而铁电性依然保持稳定。它在受力后能够恢复原状，避免永久变形，大大提高了可靠性和使用寿命，拓展了使用范围。 >LwAG:Ud  
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这一研究成果以“Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight crosslinking”为题发布在《科学》上，中国科学院宁波材料所为第一完成单位和和通讯单位，中国科学院宁波材料所2023年应届硕士毕业生高亮为第一作者，中国科学院宁波材料所胡本林研究员和李润伟研究员为通讯作者。 /$]dVvhX%  
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《科学》期刊审稿人评价：这个工作绝对令人惊叹，毫无疑问是本领域的一个里程碑。鉴于在弹性体和铁电体两个领域都有广泛的吸引力，本工作毫无疑问值得发表，尤其是用了一个非同寻常且极其震撼的设计策略；在铁电材料被发现后的百年历史中，和铁电陶瓷的不超过0.2%的拉伸应变到聚合物铁电材料小于2%的弹性回复相比，这是一个突破性的工作，开辟了全新的“弹性铁电”学科方向。