“魚和熊掌”兼得！中國科學家全球率先研發彈性鐵電材料填補空白

中新網北京8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”，而在材料領域，解決這類矛盾的客觀需求長期以來廣受社會關注并吸引學界持續聚焦研究。

填補彈性鐵電材料領域空白

(相關資料圖)

來自中國科學院寧波材料技術與工程研究所(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，可有效解決傳統鐵電材料在可穿戴領域難以在大形變下保持穩定性能的難題，填補了彈性鐵電材料領域的空白。

由中國科學家完成這項材料理論研究及應用研發重大突破的相關成果論文，北京時間8月4日凌晨獲國際著名學術期刊《科學》(Science)在線發表。

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

另一位審稿人則認為，在鐵電材料被發現后的百年歷史中，和鐵電陶瓷的不超過0.2%的拉伸應變到聚合物鐵電材料小于2%的彈性回復相比，“這是一個突破性的工作，開辟了全新的‘彈性鐵電’學科研究方向”。

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，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，即便電場不再作用，排列后的電荷也會保持原來的狀態而不發生改變。這就使得鐵電材料具備高介電常數、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備等電子產品中，也是日常使用的手機、平板電腦等電子設備中必不可少的材料之一。

論文第一作者、中國科學院寧波材料所2023年應屆碩士畢業生高亮介紹說，近年來，柔性可穿戴器件在便攜式移動電子設備和人體運動檢測等領域應用前景廣闊，受到廣泛關注和研究。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，也讓眾多科研機構望而卻步。

創新提出“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構的深入研究，創新性提出“彈性鐵電”的概念，通過對材料結構的精準設計和控制，實現了鐵電材料鐵電性與彈性的平衡，并制備出在高頻大應變下仍然具有良好鐵電響應的彈性材料，這種材料的拉伸率高達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原狀。

制備彈性鐵電材料的方法被研究團隊稱之為“微交聯法”，與傳統的鐵電材料主要為線性結構不同，“微交聯法”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起來，相互交織形成具有彈性的漁網狀結構。這種漁網狀結構松散地將鐵電晶體連接在一起，在外力作用時，可以產生可逆的形變來吸收外力，避免外力對結晶部分的破壞，進而使材料在一定拉伸范圍內依舊能夠保持穩定的鐵電性。而在外力撤銷時，這種彈性的漁網狀結構能夠回復至初始狀態。

高亮稱，采用最新研發的方法，研究團隊通過精確控制交聯劑的用量，可以確保鐵電晶體能夠均勻地分布在交聯網絡中，使材料在交聯后也能保持較好的鐵電響應。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定性，可以承受數千次的反復拉伸而鐵電性依然保持穩定。它在受力后能夠恢復原狀，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、中國科學院寧波材料所李潤偉研究員認為，“微交聯法”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，將為智慧醫療、智能可穿戴等領域創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用前景時說。(完)

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