3月25日，南昌大學(xué)國(guó)際有序物質(zhì)科學(xué)研究院教師王仲夏、廖偉強(qiáng)在Science上發(fā)表題為“Giant electromechanical effects in polymer”（聚合物中的巨大機(jī)電耦合效應(yīng)）”的觀點(diǎn)文章，結(jié)合聚偏氟乙烯（PVDF）鐵電聚合物壓電性能的發(fā)展，對(duì)新型PVDF基四元共聚物中取得的巨大壓電響應(yīng)進(jìn)行了點(diǎn)評(píng)和展望（Science2022, 375,1353-1354）。王仲夏為文章第一作者，廖偉強(qiáng)為文章通訊作者，南昌大學(xué)為文章唯一單位。這是繼2019年國(guó)際有序物質(zhì)科學(xué)研究院科研團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表南昌大學(xué)首篇第一單位研究論文（Science2019, 363, 1206-1210）以來(lái)，又一次在Science上發(fā)表文章。

文章截圖

　　壓電性可以直接實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，被廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器、驅(qū)動(dòng)器等功能器件領(lǐng)域。機(jī)電耦合系數(shù)k33（表示機(jī)械能與電能耦合程度的參數(shù)）和壓電系數(shù)d33（表示機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)）是衡量材料壓電性能最主要的參數(shù)。相對(duì)于廣泛應(yīng)用的無(wú)機(jī)鐵電壓電材料，鐵電聚合物柔韌性高、易成形、重量輕、生物相容性好等特點(diǎn)使其在柔性、可穿戴、可植入電子設(shè)備中有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但鐵電聚合物較低的k33和d33嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用。

圖為PVDF鐵電聚合物及其共聚物

　　文章介紹了PVDF基鐵電聚合物壓電性能的發(fā)展（見(jiàn)圖1）。早在1969年，日本學(xué)者Kawai發(fā)現(xiàn)半晶態(tài)均聚物PVDF具有壓電性，隨后PVDF成為半個(gè)世紀(jì)以來(lái)研究最多的壓電聚合物。PVDF具有多個(gè)晶相，其中鐵電β相壓電性最優(yōu)（k33="27%和d33="–28 pm/V），但和商業(yè)化無(wú)機(jī)陶瓷鐵電鋯鈦酸鉛（PZT）的壓電性能（k33和d33可以分別達(dá)到80%和800 pm/V）相差甚遠(yuǎn)。對(duì)于此，研究者們通過(guò)隨機(jī)共聚的方式，合成了系列PVDF基共聚物，以試圖改善其壓電性能。例如，具有更高結(jié)晶度的二元共聚物P(VDF-TrFE)（TrFE為三氟乙烯）顯示出明顯的壓電性能增強(qiáng)（k33="37%和d33=" –38 pm/V）。隨后，研究者們?cè)赑(VDF-TrFE)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步合成了三元聚合物P(VDF-TrFE-CFE)（CFE為1-氯-1-氟乙烯），具有弛豫型鐵電特性，k33和d33分別達(dá)到k33=" 55%和d33=" –400 pm/V，但依然無(wú)法比肩高端PZT，并且需要在較大的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)（＞100 MV/m）下實(shí)現(xiàn)該壓電性能。

　　文章還詳細(xì)介紹了同期Science雜志發(fā)表的關(guān)于四元共聚策略大幅提升PVDF鐵電聚合物壓電性能的研究工作。美國(guó)賓州州立大學(xué)Q. M. Zhang等通過(guò)P(VDF-TrFE-CFE)中CFE單元的脫氫氯化反應(yīng)引入氟化乙炔（FA）單體，獲得了一種新型弛豫鐵電四元共聚物P(VDF-TrFE-CFE-FA)，在較低的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)（40 MV/m）下，表現(xiàn)出巨大的k33（88%）和d33（–1050 pm/V），超越了高端PZT。如此優(yōu)異的壓電性能得益于引入了體積相對(duì)較小的FA單元，作者們發(fā)現(xiàn)FA可以部分嵌入到共聚物的晶態(tài)區(qū)域中，并降低了共聚物分子鏈中構(gòu)象變化的能壘。該觀點(diǎn)文章指出高壓電性P(VDF-TrFE-CFE-FA)的發(fā)現(xiàn)是鐵電聚合物領(lǐng)域的一個(gè)重大突破，在用于軟體機(jī)器人的低場(chǎng)驅(qū)動(dòng)器和用于健康監(jiān)測(cè)的可穿戴力傳感器等功能器件方面有巨大的應(yīng)用前景，下一步主要研究方向應(yīng)探索該聚合物的器件應(yīng)用。

　　文章最后展望了利用單一手性創(chuàng)制新型鐵電聚合物的方法。引入單一手性是由熊仁根教授提出的鐵電化學(xué)中的分子鐵電體設(shè)計(jì)原理之一。將手性單體引入聚合物中，單一手性引起的不對(duì)稱(chēng)性可以轉(zhuǎn)移到分子結(jié)構(gòu)的所有層次中，有利于構(gòu)筑鐵電聚合物，并將賦予鐵電聚合物新的功能特性，如手光性質(zhì)。此外，手性聚合物鐵電體不用像PVDF這樣的傳統(tǒng)鐵電聚合物所必需的單軸拉伸和極化處理，即可自發(fā)地表現(xiàn)出壓電性。手性聚合物鐵電體將是鐵電聚合物領(lǐng)域未來(lái)的一個(gè)研究方向。

　　國(guó)際有序物質(zhì)科學(xué)研究院成立于2018年，近幾年，在學(xué)校各職能部門(mén)的大力支持下，研究院科學(xué)研究、人才培養(yǎng)等方面取得突出業(yè)績(jī)，期間獲批國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（1項(xiàng)，江西省高校首次以牽頭單位獲批此類(lèi)項(xiàng)目）、重點(diǎn)項(xiàng)目（1項(xiàng)）、重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目（3項(xiàng)）等10余項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目；在Science（2篇）、PNAS（USA, 1篇）、J. Am. Chem. Soc.（14篇）等高水平期刊上發(fā)表論文30余篇；培養(yǎng)國(guó)家級(jí)青年人才計(jì)劃入選者3名。

　　原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7440

　　廖偉強(qiáng)：致力于分子鐵電體的可控合成與性能研究，設(shè)計(jì)合成了系列具有大壓電響應(yīng)、半導(dǎo)體特性、手性、熱/光致變色等優(yōu)異性質(zhì)的分子鐵電體。近五年，以通訊或第一（含共同）作者身份在Science（3篇）、J. Am. Chem. Soc.（6篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、Adv. Mater.（1篇）、Adv. Sci.（1篇）等國(guó)際知名期刊上發(fā)表論文40余篇。

　　王仲夏：研究方向?yàn)槎喙δ芊肿予F電材料的化學(xué)設(shè)計(jì)。獨(dú)立工作以來(lái)，緊密?chē)@高性能有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化金屬鹵化物多功能分子鐵電體和具有光觸發(fā)特性的分子鐵電材料開(kāi)展系列研究工作。近三年，以通訊或第一（含共同）作者身份在Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表論文20余篇。