宁波材料所创制高弹性铁电材料 电子产品也能变“Q弹”

从硕大的台式电脑到小巧可弯折的智能手机，数十年来，我们见证了电子产品不可思议的升级迭代。但是，制造柔软且富有弹性的电子设备，却一直是人类一个遥不可及的梦想。

情况很可能将会发生改变。8月4日，国际顶尖学术期刊《科学》刊载了中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队的论文。通过制备工艺的创新，该团队在实验室里成功生成了具有良好弹性的聚合物铁电材料。这为未来开发柔软有弹性的电子产品提供了可能。

“这个工作是本领域的一个里程碑。”《科学》期刊审稿人评价道。

(相关资料图)

神奇的铁电材料

铁电材料不是导体，也不是半导体，而是一种绝缘性的功能材料。

铁电材料表面自带电荷。没有外加电场时，这些电荷处于无序状态。一旦有电场作用，这些电荷就会重新排列，且排列方式会随着电场的变化而变化。此外，铁电材料还有“记忆力”，它们能够“记住”之前的电场状态。

“可以把铁电材料看成一个大盒子，里头存放着电荷，人们可以通过电场来控制它，实现特定功能。”论文第一作者、中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队硕士生高亮介绍。

独特的性质，赋予铁电材料出色的传感、存储和控制能力。随着薄膜制备等技术的发展，铁电材料被广泛应用在计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声纳设备等产品中，也是手机、平板等消费类电子必不可少的材料之一。触摸屏上一般就会用到铁电层，用来作为指压信号的传感介质。

遗憾的是，作为人造材料，铁电材料的缺点是又硬又脆，几乎不具备弹性。“铁电材料的铁电性来源于材料中的结晶部分，而晶体本身几乎是没弹性的。”高亮说。

材料没有弹性，就意味着电子设备也很难有弹性。

这些年，柔性可穿戴器件方兴未艾，但目前人类只能将材料做到可简单拉伸、弯折，距离有弹性十分遥远。这大大限制了可穿戴器件的应用场景拓展。

要研制出真正柔软有弹性的电子器件，只能在材料的改性上下功夫。

记者了解到，目前，围绕金属和半导体材料的弹性化已有不少进展，可作为绝缘性功能材料的铁电材料，在弹性化上却举步维艰。

“因为独特的物理性质，业界普遍认为，铁电材料没有可能‘弹性化’，我们的研究从高分子聚合物切入，打破了很多人的固有认知，可以说是开辟了一个新学科。”中国科学院宁波材料所研究员、博士生导师胡本林说。

另辟蹊径织“渔网”

既然传统路线难实现铁电材料改性，团队另辟蹊径，他们用一种类似渔网编织的方法，改变了铁电晶体的结构，从而赋予其较好的回弹性。

“简单来说，就是用柔软链状聚合物，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。”高亮解释道,就像一把麻绳，如果随意放置，那稍微一碰就将散架，而通过一定手段交联在一起，就能成为一张柔软有弹性的网。

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又能够回复至初始状态。

看似不复杂的制备方案，在具体操作层面却困难重重。

高亮告诉记者，最难的是交联剂的剂量控制。团队采用的是一种叫做聚氧化乙烯二胺的有机高分子材料作为交联剂，相当于连接麻绳的胶水。“交联剂用得太少，粘接点少，弹性差；交联剂用得太多，粘接点太多，麻绳相互间捆得太牢，难以滑动，弹性也很差。因此，交联剂的用量必须找到一个平衡。”

此外，表征也是难题。在制得的材料中，每一千个原子里只有不到两个原子处于粘接点。这种超低的原子浓度为精确表征交联带来了极大的难度，远超出了普通实验室测试设备的检测极限。最后，研究团队在同步辐射装置上才完成了相关表征。

这种被称为“精确的微交联法”的制备方法，为铁电材料插上了一双弹性化的“翅膀”。

可以想见，用弹性铁电材料做成的器件将更加“随和”，并具有更高的测量精度、更好的穿戴舒适性，为智慧医疗、智能可穿戴等领域创造更广阔的想象空间。

“我们正与相关团队对接合作，希望依托在弹性铁电方面的研究，在弹性传感、弹性驱动等方面做一些前瞻探索。相信这个过程不会太久远。”胡本林说。

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