“鱼和熊掌”兼得！中国科学家全球率先研发弹性铁电材料填补空白
发布时间：2023-08-04 11:12:26
来源：中国新闻网
中新网北京8月4日电 (记者 孙自法)中国古语有云“鱼和熊掌不可兼得”，俗话又说“甘蔗不能两头甜”，而在材料领域，解决这类矛盾的客观需求长期以来广受社会关注并吸引学界持续聚焦研究。
(相关资料图)
填补弹性铁电材料领域空白
来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所(宁波材料所)的最新消息说，该所柔性磁电功能材料与器件团队最近在实现材料性能的“鱼和熊掌”兼得方面取得重大突破——在全球率先研发出兼具弹性与铁电性的新型高分子铁电材料，可有效解决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。
成果论文共同通讯作者胡本林研究员、李润伟研究员和第一作者高亮(从左至右)在实验室中。中国科学院宁波材料所 供图由中国科学家完成这项材料理论研究及应用研发重大突破的相关成果论文，北京时间8月4日凌晨获国际著名学术期刊《科学》(Science)在线发表。
《科学》期刊审稿人评价称，这项研究工作“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”。
另一位审稿人则认为，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’学科研究方向”。
柔性制造亟需铁电材料弹性化
论文共同通讯作者、中国科学院宁波材料所胡本林研究员科普称，铁电材料与人们生活中常见的钢铁没有什么关系，“铁电”一词来源于这种材料在电场作用下有着和铁磁材料类似的回滞曲线。铁电材料是一种神奇的绝缘性功能材料，它自带电荷，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。
研究团队展示成功制备出的兼具铁电性和柔韧性的铁电聚合物。中国科学院宁波材料所 供图论文第一作者、中国科学院宁波材料所2023年应届硕士毕业生高亮介绍说，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，受到广泛关注和研究。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，也让众多科研机构望而却步。
创新提出“弹性铁电”概念
胡本林研究员表示，本项成果中，基于中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队对铁电材料结构的深入研究，创新性提出“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，并制备出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。
成功制备出的兼具铁电性和柔韧性的铁电聚合物拉伸前后对比。中国科学院宁波材料所 供图制备弹性铁电材料的方法被研究团队称之为“微交联法”，与传统的铁电材料主要为线性结构不同，“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。
本次研究成果相关示意图。中国科学院宁波材料所 供图高亮称，采用最新研发的方法，研究团队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，从而大大提高可靠性和使用寿命，并拓展使用范围。
弹性铁电材料的概念和合成策略示意图。中国科学院宁波材料所 供图论文共同通讯作者、中国科学院宁波材料所李润伟研究员认为，“微交联法”为铁电材料插上了一双弹性化的翅膀，用弹性铁电材料做成的传感器将更加随和，具有更高的测量精度、更好的穿戴舒适性，将为智慧医疗、智能可穿戴等领域创造更广阔的想象空间。
本次研究成果相关示意图。中国科学院宁波材料所 供图“有了弹性铁电材料，我们的手机就离柔软贴身可任意弯折又近了一步，不仅随身携带会更加方便，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应用前景时说。(完)
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