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【中国科学报】他们让铁电材料“伸缩自如”
作者：，日期：2023-08-08

李润伟（中）、胡本林（左）与高亮在实验室。 宁波材料所供图

　　■本报记者 张楠

　　铁电材料，可能很多人对这个名词并不熟悉，但从名字不难看出这是一种比较坚硬、结实的材料。

　　这种感觉没有错，不过，科研人员一直在打破一些常规认知。如今，他们使铁电材料不仅像橡皮筋一样柔软，还能在反复拉伸后保持良好的回弹性。

　　中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）作为第一完成单位和通讯单位完成的成果——通过精确微交联法制备本征弹性聚合物铁电体，8月4日在线发表于《科学》，展示了铁电材料弹性化制备研究取得的突破性进展。审稿人认为这是里程碑式的贡献。

　　神奇的绝缘性功能材料

　　铁电材料鲜为人知，就连论文第一作者、宁波材料所2023年应届硕士毕业生高亮，也是在备考研究生时才第一次接触它。

　　但事实上，这种材料应用十分广泛，比如触屏手机中用来将触压转变成电信号的压电膜就是铁电材料。而打火机中用压电陶瓷制成的打火石，是这种材料更早期的应用，它可以把受到的力学压力转变为六七千伏的电压，从而瞬间击穿空气，产生火花。

　　“铁电材料是一种神奇的绝缘性功能材料。”高亮向《中国科学报》介绍，它表面自带无序电荷，一旦有电场作用其上，这些电荷就会随电场的变化而变化。即便电场不再作用，排好队的电荷也会保持原状态而不发生改变。

　　同时，由于能灵敏感知微小的位移、压力、脉搏、呼吸等信号变化，铁电材料成为制造柔性可穿戴设备的重要材料之一，其弹性制备迫在眉睫。然而，科研人员在弹性制备过程中举步维艰。因为对于铁电材料而言，铁电性和弹性很难兼顾。铁电材料的铁电性来源于材料中的结晶部分，而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。

　　甘蔗就不能两头甜吗？

　　一双弹性化的翅膀

　　高亮在两位通讯作者——宁波材料所研究员胡本林和李润伟指导下，提出了“微交联法”制备策略。

　　研究团队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。

　　通过精确控制交联剂的用量，可以确保铁电晶体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。

　　这种渔网状结构松散地将铁电晶体连接在一起。外力作用时，可以产生可逆的形变吸收外力，并在达到125%的拉伸率时依旧保持稳定的铁电性。这种渔网状结构像橡皮筋一样柔软且有弹性，当外力消除时，能够迅速恢复原状。

　　这种弹性铁电材料在承受数千次的反复拉伸后，依然保持稳定的铁电性，大大提高了该材料的可靠性和使用寿命，扩大了使用范围。微交联法为铁电材料插上了一双弹性化的翅膀。

　　胡本林介绍，弹性铁电材料制成的传感器更加“随和”，具有更高的测量精度、更好的穿戴舒适性，将给智慧医疗、智能可穿戴等领域带来更广阔的想象空间。

　　脑卒中患者如果穿上带有柔性传感器的可清洗的衣服，就可以随时随地监控心率、呼吸等健康信息。手机、平板电脑等电子设备应用该材料，则离柔软、贴身、可任意弯折又近了一步。

　　开辟全新学科方向

　　《科学》审稿人认为，在铁电材料被发现后的百年历史中，铁电陶瓷拉伸应变不超过0.2%，聚合物铁电材料也只有小于2%的弹性回复。与这些相比，该成果具有突破性，开辟了全新的“弹性铁电”学科方向。

　　胡本林告诉《中国科学报》，自跟随李润伟读研究生起，他就一直希望攻克“弹性铁电”的制备难题。他将这个课题交给了自己第一批硕士研究生。高亮申领了这个课题。

　　这个课题需要的科研能力，远远超出了一般硕士研究生的能力储备。但胡本林认为，一方面要培养高水平科研人才，另一方面高亮又享受探索钻研的过程，那就不必区分硕士生、博士生。

　　尽管遇到不少困难，整整一年没有获得真正有用的数据，高亮却始终充满信心。“胡老师一开始就跟我说，这个课题不是简单的硕士生课题，还有很多延伸的地方，我做好了要做5到10年的心理准备。”

　　6月初，相关研究论文被《科学》编辑部接收。不过，这篇文章没能帮助高亮赶上胡本林的博士生招生。

　　目前她以研究助理的角色，在宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队继续此前的课题研究。“只要能继续做科研，什么身份都没关系。我享受钻研的过程。更何况，只要有成绩，早晚会有你的位置。”

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1126/science.adh2509

　�。ㄔ姆⒉加�2023年8月8日《中国科学报》头版头条）

　　【原文链接】https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/8/375702.shtm

 

其他媒体链接：

　　科学网客户端 【报道链接】https://rmtzx.sciencenet.cn/mixmedia/a/202308/04/WS64ccfbd1e4b0131e65212129.html