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2023年8月4日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料所李潤(rùn)偉研究員團(tuán)隊(duì)在Science上以“Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight cross-linking”為題發(fā)表了使用聚偏氟乙烯-三氟乙烯[P(VDF-TrFE)]和軟鏈和長(zhǎng)鏈交聯(lián)劑，通過(guò)精確的輕微交聯(lián)在彈性聚合物FE中建立穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的本征彈性策略。

對(duì)此，東南大學(xué)熊仁根教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表重要綜述性論文，以“Ferroelectric?polymers take a step toward bioelectronics”為題評(píng)論到鐵電聚合物向生物電子學(xué)邁出了重要的一步，為聚合物在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用開(kāi)辟了新應(yīng)用！

主要內(nèi)容

在過(guò)去的幾年中，化學(xué)交聯(lián)在半導(dǎo)體和導(dǎo)體的內(nèi)在彈性化方面取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。然而，從聚合物FE的彈性化角度來(lái)看，傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)仍可能出現(xiàn)鐵電體（FE）響應(yīng)-彈性恢復(fù)困境。

更詳細(xì)地說(shuō)，基于PVDF的聚合物FE的鐵電性源于結(jié)晶區(qū)域中FE域的取向和極化，這意味著出色的FE響應(yīng)需要高結(jié)晶度。

相反，中等或低結(jié)晶度對(duì)于彈性體的出色彈性恢復(fù)至關(guān)重要。

因此，解決FE彈性化中優(yōu)異的彈性和高結(jié)晶度的FE響應(yīng)-彈性恢復(fù)困境具有挑戰(zhàn)性。

在此，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所李潤(rùn)偉研究員和胡本林研究員等人通過(guò)使用聚偏氟乙烯-三氟乙烯[P(VDF-TrFE)]和軟鏈和長(zhǎng)鏈交聯(lián)劑，成功地開(kāi)發(fā)了通過(guò)精確的輕微交聯(lián)在彈性聚合物FE中建立穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的本征彈性策略。

在實(shí)驗(yàn)上，[P(VDF-TrFE)]容易通過(guò)溶液過(guò)程形成β結(jié)晶相，因此，作者將其用作線性FE聚合物以獲得輕微的交聯(lián)。

與其他組合物相比，本文選擇了[P(VDF-TrFE)]55/45 mol%的低模量和大伸長(zhǎng)率，這使得可穿戴電子產(chǎn)品具有彈性，同時(shí)保持了[P(VDF-TrFE)]的良好結(jié)晶度。選擇聚乙二醇（PEG）塊作為軟鏈，它與PVDF的不混溶性使得交聯(lián)主要發(fā)生在無(wú)定形區(qū)域，因此保留了[P(VDF-TrFE)]結(jié)晶區(qū)域中的高β相含量，以獲得優(yōu)異的FE性能。

然后，通過(guò)亞胺鍵交聯(lián)[P(VDF-TrFE)]和PEG二胺，制備彈性FE。與其他交聯(lián)方法相比，使用二胺作為交聯(lián)劑具有高反應(yīng)性，這非常適合于低濃度下反應(yīng)基團(tuán)的“輕微交聯(lián)”方法，并且只能通過(guò)加熱來(lái)完成。

此外，其機(jī)制通過(guò)對(duì)聚合物主鏈的簡(jiǎn)單加成反應(yīng)。通過(guò)設(shè)計(jì)該方法開(kāi)發(fā)彈性聚合物FE，期望高β相含量和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)將確保FE響應(yīng)和彈性恢復(fù)。

相關(guān)文章以“Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight cross-linking”為題發(fā)表在Science。

研究背景

具有拉伸性的可穿戴電子產(chǎn)品應(yīng)具有足夠的彈性，以符合生物組織，并適應(yīng)大（高達(dá)50至80%）和頻繁應(yīng)變的身體運(yùn)動(dòng)。這些要求已逐漸成為皮膚狀彈性電子材料的基本特征。

最近，研究者已經(jīng)提出了基于固有彈性導(dǎo)體或半導(dǎo)體的可穿戴傳感器和電路的原型。然而，鐵電體（FEs）是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的關(guān)鍵和有前途的基礎(chǔ)材料，其彈性鐵電體產(chǎn)生的彈性鐵電體仍然落后于其固有彈性對(duì)應(yīng)物，阻礙了其在新興可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。

FE具有可逆的自發(fā)極化和獨(dú)特的特性（FE響應(yīng)），使其適用于廣泛的應(yīng)用，從電子到電力和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。然而，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)較大的塑性變形，基于聚偏二氟乙烯（PVDF）的主要聚合物FE在應(yīng)力消除后未能恢復(fù)，更不用說(shuō)傳統(tǒng)的氧化物FE甚至在拉伸開(kāi)始時(shí)經(jīng)歷脆性破壞。

因此，為可穿戴電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)一種新的FE來(lái)克服這種FE響應(yīng)-彈性恢復(fù)困境至關(guān)重要，但具有挑戰(zhàn)性。

通常，電子材料的彈性化可以通過(guò)具有機(jī)械和幾何設(shè)計(jì)的剛性材料的結(jié)構(gòu)工程，將功能材料混合到彈性體中或功能材料的內(nèi)在彈性化。

通過(guò)結(jié)構(gòu)工程制造的樣品只能實(shí)現(xiàn)有限的拉伸范圍（小于預(yù)應(yīng)變值）;它們通常需要復(fù)雜的制造技術(shù)，并顯示陣列內(nèi)降低的器件密度。通過(guò)將氧化物FE顆?；旌系綇椥泽w中獲得的復(fù)合材料遇到了極具挑戰(zhàn)性的極化問(wèn)題。

實(shí)際上，在這些復(fù)合材料中，每個(gè)氧化物顆粒的FE結(jié)構(gòu)域是隨機(jī)定向的，這需要有效的極化。然而，由于電場(chǎng)主要在低導(dǎo)電彈性體相中劃分，因此需要對(duì)氧化物FE顆粒具有非常高的極化場(chǎng)，以應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的介電和機(jī)電擊穿的高風(fēng)險(xiǎn)。因此，內(nèi)在彈性可能是有效賦予FE彈性的唯一可能途徑。

研究?jī)?nèi)容

圖1.? 彈性FEs的概念

圖2.? 彈性FE薄膜的交聯(lián)表征及力學(xué)性能

圖3.? 交聯(lián)[P(VDF-TrFE)]薄膜的FE響應(yīng)

圖4.? 彈性系數(shù)在張力作用下的FE響應(yīng)

總的來(lái)看，本文提出了一種“輕微交聯(lián)”方法來(lái)開(kāi)發(fā)彈性FE。通過(guò)將塑料聚合物FE與軟鏈稍微交聯(lián)成穩(wěn)定的FE網(wǎng)絡(luò)，成功地制備了彈性FE，該網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)溶液處理和標(biāo)準(zhǔn)電子工業(yè)方法生產(chǎn)。

同時(shí)，彈性聚合物FE同時(shí)表現(xiàn)出FE響應(yīng)和彈性恢復(fù)，即使在高達(dá)70%的應(yīng)變下也是如此。輕微交聯(lián)是解決聚合物FE彈性化FE響應(yīng)-彈性恢復(fù)困境的有效途徑。作者相信，實(shí)現(xiàn)固有彈性FE可以彌合FE材料與新興可穿戴電子產(chǎn)品之間的差距，從而實(shí)現(xiàn)可穿戴傳感、信息存儲(chǔ)以及能量的轉(zhuǎn)導(dǎo)和存儲(chǔ)等廣泛的潛在應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

1.Liang Gao, Ben-Lin Hu*, Linping Wang, Jinwei Cao, Ri He, Fengyuan Zhang, Zhiming Wang,

Wuhong Xue, Huali Yang, Run-Wei Li*, Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise

slight cross-linking, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh2509

2.Han-Yue Zhang，Ren-Gen Xiong，Ferroelectric polymers take a step toward bioelectronics，Science，https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj2420

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/01/ad2cc0f199/

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