3月25日，南昌大學國際有序物質(zhì)科學研究院教師王仲夏、廖偉強在Science上發(fā)表題為“Giant electromechanical effects in polymer”（聚合物中的巨大機電耦合效應）”的觀點文章，結(jié)合聚偏氟乙烯（PVDF）鐵電聚合物壓電性能的發(fā)展，對新型PVDF基四元共聚物中取得的巨大壓電響應進行了點評和展望（Science2022, 375,1353-1354）。王仲夏為文章第一作者，廖偉強為文章通訊作者，南昌大學為文章唯一單位。這是繼2019年國際有序物質(zhì)科學研究院科研團隊在Science上發(fā)表南昌大學首篇第一單位研究論文（Science2019, 363, 1206-1210）以來，又一次在Science上發(fā)表文章。

文章截圖

　　壓電性可以直接實現(xiàn)機械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，被廣泛應用于傳感器、換能器、驅(qū)動器等功能器件領域。機電耦合系數(shù)k33（表示機械能與電能耦合程度的參數(shù)）和壓電系數(shù)d33（表示機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)。相對于廣泛應用的無機鐵電壓電材料，鐵電聚合物柔韌性高、易成形、重量輕、生物相容性好等特點使其在柔性、可穿戴、可植入電子設備中有應用優(yōu)勢，但鐵電聚合物較低的k33和d33嚴重限制了它們的應用。

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（見圖1）。早在1969年，日本學者Kawai發(fā)現(xiàn)半晶態(tài)均聚物PVDF具有壓電性，隨后PVDF成為半個世紀以來研究最多的壓電聚合物。PVDF具有多個晶相，其中鐵電β相壓電性最優(yōu)（k33="27%和d33="–28 pm/V），但和商業(yè)化無機陶瓷鐵電鋯鈦酸鉛（PZT）的壓電性能（k33和d33可以分別達到80%和800 pm/V）相差甚遠。對于此，研究者們通過隨機共聚的方式，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（k33="37%和d33=" –38 pm/V）。隨后，研究者們在P(VDF-TrFE)的基礎上進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分別達到k33=" 55%和d33=" –400 pm/V，但依然無法比肩高端PZT，并且需要在較大的驅(qū)動電場（＞100 MV/m）下實現(xiàn)該壓電性能。

　　文章還詳細介紹了同期Science雜志發(fā)表的關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。美國賓州州立大學Q. M. Zhang等通過P(VDF-TrFE-CFE)中CFE單元的脫氫氯化反應引入氟化乙炔（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)動電場（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象變化的能壘。該觀點文章指出高壓電性P(VDF-TrFE-CFE-FA)的發(fā)現(xiàn)是鐵電聚合物領域的一個重大突破，在用于軟體機器人的低場驅(qū)動器和用于健康監(jiān)測的可穿戴力傳感器等功能器件方面有巨大的應用前景，下一步主要研究方向應探索該聚合物的器件應用。

　　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中的分子鐵電體設計原理之一。將手性單體引入聚合物中，單一手性引起的不對稱性可以轉(zhuǎn)移到分子結(jié)構的所有層次中，有利于構筑鐵電聚合物，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域未來的一個研究方向。

　　國際有序物質(zhì)科學研究院成立于2018年，近幾年，在學校各職能部門的大力支持下，研究院科學研究、人才培養(yǎng)等方面取得突出業(yè)績，期間獲批國家自然科學基金重大項目（1項，江西省高校首次以牽頭單位獲批此類項目）、重點項目（1項）、重大研究計劃培育項目（3項）等10余項國家級項目；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)國家級青年人才計劃入選者3名。

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

　　廖偉強：致力于分子鐵電體的可控合成與性能研究，設計合成了系列具有大壓電響應、半導體特性、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）等國際知名期刊上發(fā)表論文40余篇。

　　王仲夏：研究方向為多功能分子鐵電材料的化學設計。獨立工作以來，緊密圍繞高性能有機-無機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.等國際權威期刊上發(fā)表論文20余篇。