可穿戴！我國(guó)科學(xué)家率先打造出有彈性的鐵電材料

(資料圖)

近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了兼具彈性回復(fù)與鐵電性的新型高分子鐵電材料，有效解決了傳統(tǒng)鐵電材料在可穿戴領(lǐng)域難以在大形變下保持穩(wěn)定性能的難題，填補(bǔ)了彈性鐵電材料領(lǐng)域的空白。該成果于8月4日在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)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(chǎng)的作用下，電荷可以重新排列，即使電場(chǎng)不再作用，排列后的電荷也會(huì)保持原狀。因此，該材料廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器、高精度電機(jī)、超敏感傳感器和聲吶設(shè)備等電子產(chǎn)品中，也是我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、平板電腦等電子設(shè)備中必不可少的材料之一。然而，鐵電材料的鐵電性來(lái)源——結(jié)晶部分幾乎不具備彈性，拉伸率一般低于5%且沒(méi)有回彈能力，鐵電性和彈性對(duì)于鐵電材料而言很難兼顧，制約了其可穿戴性。

該成果的負(fù)責(zé)人，中國(guó)科學(xué)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(diǎn)就是在高頻大應(yīng)變下，比如人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，要求可穿戴材料具有彈性回復(fù)能力，而傳統(tǒng)的材料，如無(wú)機(jī)鐵電材料完全無(wú)法拉伸，而一些鐵電材料雖然能夠拉伸，但卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)彈性回復(fù)。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“彈性鐵電”概念，通過(guò)對(duì)材料結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和控制，實(shí)現(xiàn)了鐵電材料鐵電性與彈性的平衡，制備出了在高頻大應(yīng)變下仍然具有良好鐵電響應(yīng)的彈性材料，這種材料的拉伸率高達(dá)125%，也就是說(shuō)把它拉伸到原來(lái)長(zhǎng)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(fù)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(tuán)隊(duì)稱之為“微交聯(lián)法”。傳統(tǒng)的鐵電材料主要為線性結(jié)構(gòu)，排列規(guī)整的部分形成結(jié)晶區(qū)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(méi)有共價(jià)連接，一旦施加外力，這種相互纏繞就會(huì)解開(kāi)，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)晶區(qū)被破壞，影響其鐵電性。研究團(tuán)隊(duì)采用“微交聯(lián)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(lián)起來(lái)，相互交織形成具有彈性的漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散地將鐵電晶體連接在一起，在外力作用時(shí)，可以產(chǎn)生可逆的形變來(lái)吸收外力，避免外力對(duì)結(jié)晶部分的破壞，進(jìn)而使材料在一定拉伸范圍內(nèi)依舊能夠保持穩(wěn)定的鐵電性。而在外力撤銷時(shí)，這種彈性的漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠回復(fù)至初始狀態(tài)。此外，通過(guò)精確控制交聯(lián)劑的用量，可以確保鐵電晶體能夠均勻地分布在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，使材料在交聯(lián)后也能保持較好的鐵電響應(yīng)。

微交聯(lián)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(cè)量精度、更好的穿戴舒適性，將為智慧醫(yī)療、智能可穿戴等領(lǐng)域創(chuàng)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(shí)隨地方便地監(jiān)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(jī)就離柔軟貼身可任意彎折又近了一步，不僅隨身攜帶會(huì)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？

（總臺(tái)央視記者 李崢 褚爾嘉）