Science刊发生医学院张含悦博士等关于铁电化学设计的观点文章

发布者:毕昆发布时间:2023-08-06浏览次数:78

在国家自然科学基金、“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金和江苏省生物材料与器件重点实验室自主课题的资助下,东南大学生物科学与医学工程学院青年教师张含悦与熊仁根教授合作在《科学》(Science发表了题为“Ferroelectric polymers take a step toward bioelectronics(铁电聚合物迈向生物电子学应用)的观点论文。在熊仁根教授开创的铁电化学的指导下,他们结合近年来铁电化学领域的新进展,对聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)P(VDF-TrFE)基塑性铁电聚合物中实现的本征弹性化进行了评述和展望(Science 2023, 381, 540-544)。张含悦为文章第一作者通讯作者,东南大学为第一通讯单位。

铁电材料作为一类重要的功能材料,在国防、航天、信息、能源、医疗等多个领域都有着重大应用。随着时代的进步,人们对电子设备有着更高的要求和期望。为了满足生物电子学应用(如软机器人、健康监测器和可穿戴电子设备)的发展需求,铁电材料应该是柔软且柔韧的,尤其是要具有良好的弹性。这些需求对于刚性且脆性的常规铁电材料(如无机氧化物和离子晶体)是一个巨大的挑战。尽管铁电聚合物具有良好的机械柔韧性,但以聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物为代表的铁电聚合物常表现出不可恢复的塑性变形。

文章介绍了人们日常生活中最常见的弹性体——橡胶,它们通常是一类具有较低玻璃化转变温度的无定形聚合物。鉴于此,为了实现良好的弹性恢复,聚合物材料应具有较低的结晶度。但铁电性常见于晶态化合物中,其中长程有序的极性序对于铁电性的产生至关重要。化学交联是一种常见的简单且有效的实现本征弹性化的方法。然而,传统的化学交联可能会严重降低聚合物的结晶度,从而衰减铁电响应。因此,如何在一种材料中同时实现优异的铁电性和高回弹性是铁电体发展百年以来的一个重大挑战。

文章还详细介绍了同期Science杂志发表的关于通过化学修饰实现P(VDF-TrFE)铁电聚合物本征弹性化的研究工作。Gao等提出采用极低交联密度(1–2%)的化学交联方法来实现P(VDF-TrFE)塑性聚合物的弹性化(图1)。他们发现,VDF摩尔分数为55%时的P(VDF-TrFE)共聚物有着最低的模量和最大的断裂拉伸率。因此,他们对该比例的P(VDF-TrFE)塑性聚合物进行化学修饰。通过使用软长链交联剂聚乙二醇(PEG)二胺将P(VDF-TrFE)塑性聚合链部分交联(最佳交联密度为1.44%),形成弹性交联网络,赋予了P(VDF-TrFE)聚合物铁电体理想的回弹性,同时还保留了其高结晶度以维持良好的铁电性能。所得到的弹性铁电聚合物具有优异的高达125%的弹性应变恢复性能;尤其值得注意的是,化学改性后的弹性铁电聚合物在70%应变的条件下,依旧能观测到清晰的铁电电滞回线,这表明应力拉伸作用下该弹性铁电体仍具有良好的铁电双稳态性  

1. 弹性铁电体的化学设计思路

文章最后指出,结合铁电化学设计策略中的引入单一手性策略,为未来弹性铁电材料的化学设计提供了丰富思路。引入单一手性是熊仁根教授提出的铁电化学理论中设计分子铁电体的重要原理之一。将手性单体引入聚合物中,或利用手性交联剂来改性聚合物,单一手性引起的不对称性可以逐层传递到分子结构中,这对于电活性的铁电聚合物的构筑是至关重要的。同时,手性还将赋予铁电聚合物新的功能特性,如手光性质、催化对映选择性等。结合近年来铁电化学领域的研究进展,该观点文章还展望了弹性铁电体在生物医学应用中的重要前景。在未来,弹性铁电体将会是铁电领域的一个重要研究方向。

张含悦博士现工作于东南大学江苏省生物材料与器件重点实验室,研究方向为分子铁电体的化学设计及其生物医学应用,并专注于有机硅铁电体的研究。她旨在围绕生物医学问题,展开铁电化学与生物医学应用的交叉研究。自独立工作以来,相关成果在SciencePhys. Rev. Lett.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.等国际权威期刊上发表。