我国科学家成功研发弹性铁电材料

能够随意弯曲的手机、像衣服一样合体的可穿戴设备……中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称“中国科学院宁波材料所”)开发出的新材料可能让这一切成为现实——科研人员在全球率先研发出有弹性的新型高分子铁电材料,使传统铁电材料既能保持稳定的铁电性,又能像橡皮筋一样有弹性。

这项研究解决了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,相关论文已在学术期刊发表。有评价认为:这项工作令人惊叹,毫无疑问是本领域的一个里程碑!……这是一个突破性工作,开辟了全新的“弹性铁电”学科方向。

该研究的主要完成人之一、中国科学院宁波材料所研究员胡本林介绍,铁电材料是一种神奇的绝缘性功能材料,它的表面自带电荷,没有外加电场时,这些电荷处于无序状态,一旦有电场作用在铁电材料上,这些电荷就会重新排列,而且排列的方式会随着电场的变化而变化。此外,铁电材料还有记忆能力——它们能够记住之前的电场状态,即便电场不再作用,排列后的电荷也会保持原来的状态而不发生改变。这使得铁电材料具备高介电常数、压电性、热电性、电制冷性等特性,可以用在计算机存储器、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。

铁电材料也是制造柔性可穿戴器件的重要材料之一,但它却有一个缺点:几乎不具备弹性。这是因为铁电材料的铁电性来源于材料中的结晶部分,但晶体本身几乎不具备弹性——要么铁电性,要么弹性,两者似乎不可兼得。

针对这个难题,中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队基于对铁电材料结构的深入研究,创新性地提出了“弹性铁电”的概念,通过对材料结构的精准设计和控制,创造性地提出制备弹性铁电材料的“微交联法”,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%——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。

这项新发现有广阔的潜在应用,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。(记者齐芳)

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