東南大學(xué)研發(fā)新型壓電材料，未來(lái)衣服褶皺或能實(shí)現充電

東南大學(xué)研究團隊研發(fā)出新型分子壓電材料，解決了130年來(lái)制約分子材料發(fā)展的世紀難題。

近日，東南大學(xué)熊仁根教授團隊、游雨蒙教授課題組與合作者在分子鐵電、壓電材料領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。據悉，該成果解決了130年來(lái)制約分子材料發(fā)展的世紀難題，為材料研究帶來(lái)了新的思路和方向。

首先，我們先來(lái)簡(jiǎn)單認識一下何為壓電。

顧名思義，壓電就是壓力與電的簡(jiǎn)稱(chēng)，暗含壓力與電場(chǎng)之間的物理關(guān)系。100多年前，是居里兄弟在研究石英時(shí)首次發(fā)現了壓電現象，而人們所熟知的石英手表，它的核心元件就是一個(gè)壓電石英晶片。

現在，在生活中，我們其實(shí)也幾乎天天在與一種壓電材料打交道。在煤氣灶和熱水器里，廠(chǎng)家在點(diǎn)火裝置里裝了壓電陶瓷，當用戶(hù)按下點(diǎn)火裝置的彈簧時(shí)，傳動(dòng)裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產(chǎn)生很高的電壓，進(jìn)而將電能引向燃氣的出口放電，于是，燃氣就被電火花點(diǎn)燃了。而壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。

關(guān)于壓電效應的原理，就是存在一種材料，即我們所說(shuō)的壓電材料，如果我們對這種材料施加壓力，伴隨著(zhù)材料受壓力后的伸長(cháng)或縮短，相應的會(huì )產(chǎn)生電位差（即正壓電效應）；反之，如果施加電壓，它則產(chǎn)生機械應力（即逆壓電效應）。

壓電材料可以因機械變形產(chǎn)生電場(chǎng)，也可以因電場(chǎng)作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用。

在現實(shí)生活中的應用中，常見(jiàn)的壓電材料就是陶瓷壓電材料。盡管它已經(jīng)獲得了廣泛的應用，但是伴隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，各種電子元件的尺寸日益縮小，人們希望能在一層薄薄的可以彎折的薄膜上就能實(shí)現以往手機、筆記本電腦的所有功能。在醫學(xué)保健方面，越來(lái)越多的研究者希望將血壓計、B超機等“大型設備”縮小并集成在日常衣物上做成“可穿戴的”醫療器械。

這時(shí)，傳統壓電材料的種種局限逐漸就暴露出來(lái)，比如壓電陶瓷制作中需要上千度的高溫，在這種溫度下，大多數精密的電子器件與具有柔性的薄膜都無(wú)法耐受這種溫度，因此制作壓電陶瓷薄膜需要付出巨大的代價(jià)；同時(shí)，陶瓷的高硬度在遇到對柔韌性的需求時(shí)反而成為缺點(diǎn)；另外不得不提到傳統壓電陶瓷中通常含有潛在的有毒金屬，不利于環(huán)境保護并可能對生物體產(chǎn)生毒性。

當然除了傳統的壓電材料，還有一類(lèi)由分子組成的“分子材料”，這類(lèi)特殊的材料由于其結構靈活多變、性質(zhì)設計調控空間大、制作成本低、容易制成薄膜、柔韌性好、可降解、無(wú)毒害等優(yōu)點(diǎn)一直以來(lái)都是材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

東南大學(xué)的研究團隊為解決分子材料的壓電性這一世紀難題帶來(lái)了曙光，他們突破傳統的合成思路，從提升鐵電極軸數量入手、利用相變前后對稱(chēng)性的巨大變化，發(fā)現了一類(lèi)具有優(yōu)異壓電性能的分子鐵電材料。

據悉，這種新型分子鐵電材料不但秉承了分子材料的種種優(yōu)勢，同時(shí)首次在壓電性能上達到了傳統壓電陶瓷的水平。雖然研究目前還存在于實(shí)驗室內，但隨著(zhù)新型分子鐵電體的開(kāi)發(fā)和進(jìn)步，后面制作出具有實(shí)用性的柔性薄膜壓電元件將會(huì )很快實(shí)現。

未來(lái)，應用這種材料將會(huì )進(jìn)一步縮小計算機芯片的體積；此外，像紙張一樣折疊彎曲的心率計、B超機等可穿戴設備也將成為可能；更棒的是，利用衣物的皺褶就能實(shí)現對手機的充電。

在醫藥學(xué)領(lǐng)域，憑借著(zhù)該分子材料的良好生物兼容性，科學(xué)家將制作出更加安全的醫學(xué)植入器件。

這一研究成果于美國當地時(shí)間7月21日被國際頂尖學(xué)術(shù)雜志Science在線(xiàn)發(fā)表，此舉也標志著(zhù)我國在分子材料領(lǐng)域走在了世界前列。

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