可穿戴！我国科学家率先打造出有弹性的铁电材料
发布时间：2023-08-04 11:44:28
来源：福建日报
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近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队研发出了兼具弹性回复与铁电性的新型高分子铁电材料，有效解决了传统铁电材料在可穿戴领域难以在大形变下保持稳定性能的难题，填补了弹性铁电材料领域的空白。该成果于8月4日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表。
铁电材料是一种绝缘性功能材料，表面自带电荷，且有记忆功能。在外加电场的作用下，电荷可以重新排列，即使电场不再作用，排列后的电荷也会保持原状。因此，该材料广泛应用于计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声呐设备等电子产品中，也是我们日常使用的手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料之一。然而，铁电材料的铁电性来源——结晶部分几乎不具备弹性，拉伸率一般低于5%且没有回弹能力，铁电性和弹性对于铁电材料而言很难兼顾，制约了其可穿戴性。
该成果的负责人，中国科学院宁波材料所研究员胡本林介绍，这一研究成果最大的特点就是在高频大应变下，比如人体运动的时候，要求可穿戴材料具有弹性回复能力，而传统的材料，如无机铁电材料完全无法拉伸，而一些铁电材料虽然能够拉伸，但却无法实现弹性回复。
研究团队创新性地提出了“弹性铁电”概念，通过对材料结构的精准设计和控制，实现了铁电材料铁电性与弹性的平衡，制备出了在高频大应变下仍然具有良好铁电响应的弹性材料，这种材料的拉伸率高达125%，也就是说把它拉伸到原来长度的2倍后，不但能保持原有的铁电性，而且还能在外力撤除后迅速恢复原状。大大提高了可靠性和使用寿命，拓展了使用范围。
制备弹性铁电材料的方法被团队称之为“微交联法”。传统的铁电材料主要为线性结构，排列规整的部分形成结晶区提供铁电性，而剩余的分子链相互缠绕在一起。由于线性的分子链间没有共价连接，一旦施加外力，这种相互缠绕就会解开，进而导致结晶区被破坏，影响其铁电性。研究团队采用“微交联法”，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。这种渔网状结构松散地将铁电晶体连接在一起，在外力作用时，可以产生可逆的形变来吸收外力，避免外力对结晶部分的破坏，进而使材料在一定拉伸范围内依旧能够保持稳定的铁电性。而在外力撤销时，这种弹性的渔网状结构能够回复至初始状态。此外，通过精确控制交联剂的用量，可以确保铁电晶体能够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。
微交联法为铁电材料插上了一双弹性化的翅膀，用弹性铁电材料做成的传感器将更加随和，具有更高的测量精度、更好的穿戴舒适性，将为智慧医疗、智能可穿戴等领域创造更广阔的想象空间，试想一位脑卒中患者如果能够穿上这样一件带有柔性传感器的柔软、可清洗的衣服，随时随地方便地监控心率、呼吸等健康信息，是不是很令人期待？有了弹性铁电材料，我们的手机就离柔软贴身可任意弯折又近了一步，不仅随身携带会更加方便，甚至可以集成在衣物或者手套之上，是不是很酷呢？
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