鐵電材料首次制成“橡皮筋”

江耘

常見于存儲(chǔ)器、壓電元件等領(lǐng)域的鐵電材料，如果獲得橡皮筋一樣的彈性，有望讓傳感器造型多變、手機(jī)更易彎曲折疊。

8月4日，國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊登了中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)的科研成果——在全球率先研發(fā)出兼具彈性回復(fù)與鐵電性的新型高分子鐵電材料，有效解決傳統(tǒng)鐵電材料難以在大形變下保持穩(wěn)定性能的難題，填補(bǔ)彈性鐵電材料領(lǐng)域的空白。

鐵電材料受到拉伸容易失靈

“鐵電材料是一種神奇的絕緣性功能材料，表面自帶電荷，沒有外加電場(chǎng)時(shí)，這些電荷處于無序狀態(tài)。”該論文通訊作者、中國科學(xué)院寧波材料所胡本林研究員介紹，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)隨著電場(chǎng)的變化而變化。

此外，鐵電材料還有記憶能力，即便電場(chǎng)不再作用，排列后的電荷也會(huì)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(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、高精度電機(jī)、超敏感傳感器和聲吶設(shè)備等電子產(chǎn)品中，也是手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備中必不可少的材料之一。

近年來，有關(guān)柔性可穿戴器件的研究熱度不減，這類器件被認(rèn)為在便攜式移動(dòng)電子設(shè)備和人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。作為制造柔性可穿戴器件的重要材料之一，鐵電材料若能實(shí)現(xiàn)彈性化，對(duì)這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展可起到推波助瀾的作用。

“但是研究制備彈性化鐵電材料卻舉步維艱?！焙玖纸忉屨f，傳統(tǒng)的鐵電材料主要為線性結(jié)構(gòu)，排列規(guī)整的部分形成結(jié)晶區(qū)提供鐵電性，而剩余的分子鏈相互纏繞在一起。由于線性的分子鏈間沒有共價(jià)連接，一旦施加外力，這種相互纏繞就會(huì)解開，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)被破壞，影響其鐵電性。

該論文第一作者、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米學(xué)院和中國科學(xué)院寧波材料所的聯(lián)合培養(yǎng)碩士生高亮補(bǔ)充道，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，因此鐵電材料很難兼顧鐵電性和彈性。

“微交聯(lián)法”編織“漁網(wǎng)”獲得彈性

甘蔗就不能兩頭甜？這項(xiàng)研究中，科研人員通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和控制，制備出了在高頻率大形變下仍然具有良好鐵電響應(yīng)的彈性材料，把它拉伸到原來長(zhǎng)度的兩倍后，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，實(shí)現(xiàn)了鐵電材料鐵電性與彈性的平衡。

制備彈性鐵電材料的方法被團(tuán)隊(duì)稱之為“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)。類似于通過化學(xué)交聯(lián)將晶體和纏繞部分置于“漁網(wǎng)”中，制成具有良好的彈性回復(fù)能力的鐵電“橡皮筋”。

胡本林介紹，團(tuán)隊(duì)嘗試了幾十種材料才找到合適的鏈狀聚合物。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(shí)，可以產(chǎn)生可逆的形變來吸收外力，避免外力對(duì)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；在外力撤銷時(shí)，這種彈性的漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠回復(fù)至初始狀態(tài)。

“此外，精確控制鏈狀聚合物的用量，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)?！焙玖终f，這種彈性鐵電材料可以承受數(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，大大提高了可靠性和使用壽命，拓展了使用范圍。

《科學(xué)》期刊審稿人評(píng)價(jià)道，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(gè)突破性工作，開辟了全新的“彈性鐵電”學(xué)科方向。