可穿戴!我國(guó)科學(xué)家率先打造出有彈性的鐵電材料
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,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)
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