可穿戴！我國科學家率先打造出有彈性的鐵電材料

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近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所的研究團隊研發出了兼具彈性回復與鐵電性的新型高分子鐵電材料，有效解決了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。該成果于8月4日在國際頂尖學術期刊《科學》上發表。

鐵電材料是一種絕緣性功能材料，表面自帶電荷，且有記憶功能。在外加電場的作用下，電荷可以重新排列，即使電場不再作用，排列后的電荷也會保持原狀。因此，該材料廣泛應用于計算機存儲器、高精度電機、超敏感傳感器和聲吶設備等電子產品中，也是我們日常使用的手機、平板電腦等電子設備中必不可少的材料之一。然而，鐵電材料的鐵電性來源——結晶部分幾乎不具備彈性，拉伸率一般低于5%且沒有回彈能力，鐵電性和彈性對于鐵電材料而言很難兼顧，制約了其可穿戴性。

該成果的負責人，中國科學院寧波材料所研究員胡本林介紹，這一研究成果最大的特點就是在高頻大應變下，比如人體運動的時候，要求可穿戴材料具有彈性回復能力，而傳統的材料，如無機鐵電材料完全無法拉伸，而一些鐵電材料雖然能夠拉伸，但卻無法實現彈性回復。

研究團隊創新性地提出了“彈性鐵電”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，制備出了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。大大提高了可靠性和使用壽命，拓展了使用范圍。

制備彈性鐵電材料的方法被團隊稱之為“微交聯法”。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。研究團隊采用“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。此外，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。

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，試想一位腦卒中患者如果能夠穿上這樣一件帶有柔性傳感器的柔軟、可清洗的衣服，隨時隨地方便地監控心率、呼吸等健康信息，是不是很令人期待？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，是不是很酷呢？