鐵電材料首次制成“橡皮筋”

江耘

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

8月4日，國際學術期刊《科學》刊登了中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團隊的科研成果——在全球率先研發出兼具彈性回復與鐵電性的新型高分子鐵電材料，有效解決傳統鐵電材料難以在大形變下保持穩定性能的難題，填補彈性鐵電材料領域的空白。

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，沒有外加電場時，這些電荷處于無序狀態。”該論文通訊作者、中國科學院寧波材料所胡本林研究員介紹，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，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、超敏感傳感器和聲吶設備等電子產品中，也是手機、平板電腦等電子設備中必不可少的材料之一。

近年來，有關柔性可穿戴器件的研究熱度不減，這類器件被認為在便攜式移動電子設備和人體運動檢測等領域有廣闊的應用前景。作為制造柔性可穿戴器件的重要材料之一，鐵電材料若能實現彈性化，對這一產業發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。”胡本林解釋說，傳統的鐵電材料主要為線性結構，排列規整的部分形成結晶區提供鐵電性，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連接，一旦施加外力，這種相互纏繞就會解開，進而導致結晶區被破壞，影響其鐵電性。

該論文第一作者、中國科學技術大學納米學院和中國科學院寧波材料所的聯合培養碩士生高亮補充道，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。

“微交聯法”編織“漁網”獲得彈性

甘蔗就不能兩頭甜？這項研究中，科研人員通過對材料結構的精準設計和控制，制備出了在高頻率大形變下仍然具有良好鐵電響應的彈性材料，把它拉伸到原來長度的兩倍后，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原狀，實現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隊稱之為“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。類似于通過化學交聯將晶體和纏繞部分置于“漁網”中，制成具有良好的彈性回復能力的鐵電“橡皮筋”。

胡本林介紹，團隊嘗試了幾十種材料才找到合適的鏈狀聚合物。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；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。

“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網絡中，使材料在交聯后也能保持較好的鐵電響應。”胡本林說，這種彈性鐵電材料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，大大提高了可靠性和使用壽命，拓展了使用范圍。

《科學》期刊審稿人評價道，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，這是一個突破性工作，開辟了全新的“彈性鐵電”學科方向。