中国科学院宁波材料所新技术让传感器和可穿戴设备更柔更弹

制备出的兼具铁电性和柔韧性的铁电聚合物。

【资料图】

近年来，人们对柔性可穿戴设备的消费日益增多，作为重要原材料之一，已经有百年历史的铁电材料的弹性化也迫在眉睫，但其研发过程非常艰难。因为该材料的铁电性来源是晶体，本身几乎不具备弹性，拉伸率低，且无回弹能力。

如何兼顾铁电性和弹性，让可穿戴设备更柔、更具有弹性？

针对这一难题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所胡本林研究员和李润伟研究员等经过科研攻关，终于取得突破，将前述材料低于5%的弹性回复，提升到125%，开辟了全新的“弹性铁电”学科方向。

8月4日，他们的研究论文在线发表在国际学术期刊《科学》（Science）上。论文标题是《精准微交联实现本征弹性聚合物铁电性》（Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight crosslinking）。

3日，胡本林告诉澎湃科技，铁电材料是一种多功能材料，在某些具体应用中难以替代。比如高容量电容器，用普通材料也可以，但能量密度低；再比如换能器（声呐、压电喷头，超声成像等），必须用铁电陶瓷。

对于柔性材料和弹性材料的区别，胡本林介绍，主要在应变范围，“柔性一般小于5%，而且只能弯曲；而弹性的应变范围远大于5%，而且可以反复拉伸，当然弯曲也可以”。

铁电材料在数据存储和处理、传感和能量转换以及非线性光学和光电器件等方面有诸多应用。它被用在计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声呐设备等电子产品中，也是手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料之一。

用弹性铁电材料做成的传感器更加“随和”，具有更高的测量精度、更好的穿戴舒适性，为智慧医疗、智能可穿戴等领域带来广阔想象空间。

弹性铁电的概念和合成策略示意图。

研究团队采用“微交联法”为铁电材料插上翅膀。通过精确控制交联剂的用量，微量的柔软链状聚合物相互交织形成具有弹性的渔网状结构，松散地将铁电晶体连接在一起，并在外力作用时，产生可逆的形变，避免对结晶部分造成破坏，从而使材料在一定拉伸范围内依旧能够保持稳定的铁电性。

这种弹性铁电材料不仅具有很好的拉伸回弹性，而且具有极好的拉伸稳定性，可以承受数千次的反复拉伸，提高了可靠性和使用寿命，拓展了使用范围。

应变下的弹性铁电材料。

期刊审稿人评价称，这一工作采用了一个非同寻常且极其震撼的设计策略。在铁电材料被发现后的百年历史中，和铁电陶瓷原本不超过0.2%的拉伸应变，以及聚合物铁电材料原本小于2%的弹性回复相比，这是一个突破性工作。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh2509

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