在國(guó)家自然科學(xué)基金、“東南大學(xué)十大科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題”啟動(dòng)培育基金和江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題的資助下，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院青年教師張含悅與熊仁根教授合作在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表了題為“Ferroelectric polymers take a step toward bioelectronics（鐵電聚合物邁向生物電子學(xué)應(yīng)用）”的觀點(diǎn)論文。

在熊仁根教授開創(chuàng)的鐵電化學(xué)的指導(dǎo)下，他們結(jié)合近年來(lái)鐵電化學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展，對(duì)聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE)）基塑性鐵電聚合物中實(shí)現(xiàn)的本征彈性化進(jìn)行了評(píng)述和展望（Science 2023, 381, 540-544）。張含悅為文章第一作者兼通訊作者，東南大學(xué)為第一通訊單位。

鐵電材料作為一類重要的功能材料，在國(guó)防、航天、信息、能源、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域都有著重大應(yīng)用。隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們對(duì)電子設(shè)備有著更高的要求和期望。為了滿足生物電子學(xué)應(yīng)用（如軟機(jī)器人、健康監(jiān)測(cè)器和可穿戴電子設(shè)備）的發(fā)展需求，鐵電材料應(yīng)該是柔軟且柔韌的，尤其是要具有良好的彈性。這些需求對(duì)于剛性且脆性的常規(guī)鐵電材料（如無(wú)機(jī)氧化物和離子晶體）是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。盡管鐵電聚合物具有良好的機(jī)械柔韌性，但以聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物為代表的鐵電聚合物常表現(xiàn)出不可恢復(fù)的塑性變形。

文章介紹了人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的彈性體——橡膠，它們通常是一類具有較低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的無(wú)定形聚合物。鑒于此，為了實(shí)現(xiàn)良好的彈性恢復(fù)，聚合物材料應(yīng)具有較低的結(jié)晶度。但鐵電性常見(jiàn)于晶態(tài)化合物中，其中長(zhǎng)程有序的極性序?qū)τ阼F電性的產(chǎn)生至關(guān)重要?；瘜W(xué)交聯(lián)是一種常見(jiàn)的簡(jiǎn)單且有效的實(shí)現(xiàn)本征彈性化的方法。然而，傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)可能會(huì)嚴(yán)重降低聚合物的結(jié)晶度，從而衰減鐵電響應(yīng)。因此，如何在一種材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的鐵電性和高回彈性是鐵電體發(fā)展百年以來(lái)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

文章還詳細(xì)介紹了同期Science雜志發(fā)表的關(guān)于通過(guò)化學(xué)修飾實(shí)現(xiàn)P(VDF-TrFE)鐵電聚合物本征彈性化的研究工作。Gao等提出采用極低交聯(lián)密度（1–2%）的化學(xué)交聯(lián)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)P(VDF-TrFE)塑性聚合物的彈性化（見(jiàn)下圖）。他們發(fā)現(xiàn)，VDF摩爾分?jǐn)?shù)為55%時(shí)的P(VDF-TrFE)共聚物有著最低的模量和最大的斷裂拉伸率。因此，他們對(duì)該比例的P(VDF-TrFE)塑性聚合物進(jìn)行化學(xué)修飾。通過(guò)使用軟長(zhǎng)鏈交聯(lián)劑聚乙二醇（PEG）二胺將P(VDF-TrFE)塑性聚合鏈部分交聯(lián)（最佳交聯(lián)密度為1.44%），形成彈性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，賦予了P(VDF-TrFE)聚合物鐵電體理想的回彈性，同時(shí)還保留了其高結(jié)晶度以維持良好的鐵電性能。所得到的彈性鐵電聚合物具有優(yōu)異的高達(dá)125%的彈性應(yīng)變恢復(fù)性能；尤其值得注意的是，化學(xué)改性后的彈性鐵電聚合物在70%應(yīng)變的條件下，依舊能觀測(cè)到清晰的鐵電電滯回線，這表明應(yīng)力拉伸作用下該彈性鐵電體仍具有良好的鐵電雙穩(wěn)態(tài)性。

文章最后指出，結(jié)合鐵電化學(xué)設(shè)計(jì)策略中的引入單一手性策略，為未來(lái)彈性鐵電材料的化學(xué)設(shè)計(jì)提供了豐富思路。引入單一手性是熊仁根教授提出的鐵電化學(xué)理論中設(shè)計(jì)分子鐵電體的重要原理之一。將手性單體引入聚合物中，或利用手性交聯(lián)劑來(lái)改性聚合物，單一手性引起的不對(duì)稱性可以逐層傳遞到分子結(jié)構(gòu)中，這對(duì)于電活性的鐵電聚合物的構(gòu)筑是至關(guān)重要的。同時(shí)，手性還將賦予鐵電聚合物新的功能特性，如手光性質(zhì)、催化對(duì)映選擇性等。結(jié)合近年來(lái)鐵電化學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，該觀點(diǎn)文章還展望了彈性鐵電體在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的重要前景。在未來(lái)，彈性鐵電體將會(huì)是鐵電領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

張含悅博士現(xiàn)工作于東南大學(xué)江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向?yàn)榉肿予F電體的化學(xué)設(shè)計(jì)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，并專注于有機(jī)硅鐵電體的研究。她旨在圍繞生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題，展開鐵電化學(xué)與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的交叉研究。自獨(dú)立工作以來(lái)，相關(guān)成果在Science、Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表。

來(lái)源：東南大學(xué)