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2023年8月4日，中國科學院寧波材料所李潤偉研究員團隊在Science上以“Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight cross-linking”為題發表了使用聚偏氟乙烯-三氟乙烯[P(VDF-TrFE)]和軟鏈和長鏈交聯劑，通過精確的輕微交聯在彈性聚合物FE中建立穩定網絡的本征彈性策略。

對此，東南大學熊仁根教授團隊發表重要綜述性論文，以“Ferroelectric?polymers take a step toward bioelectronics”為題評論到鐵電聚合物向生物電子學邁出了重要的一步，為聚合物在可穿戴設備中的應用開辟了新應用！

主要內容

在過去的幾年中，化學交聯在半導體和導體的內在彈性化方面取得了長足的發展。然而，從聚合物FE的彈性化角度來看，傳統的化學交聯仍可能出現鐵電體（FE）響應-彈性恢復困境。

更詳細地說，基于PVDF的聚合物FE的鐵電性源于結晶區域中FE域的取向和極化，這意味著出色的FE響應需要高結晶度。

相反，中等或低結晶度對于彈性體的出色彈性恢復至關重要。

因此，解決FE彈性化中優異的彈性和高結晶度的FE響應-彈性恢復困境具有挑戰性。

在此，中國科學院寧波材料技術與工程研究所李潤偉研究員和胡本林研究員等人通過使用聚偏氟乙烯-三氟乙烯[P(VDF-TrFE)]和軟鏈和長鏈交聯劑，成功地開發了通過精確的輕微交聯在彈性聚合物FE中建立穩定網絡的本征彈性策略。

在實驗上，[P(VDF-TrFE)]容易通過溶液過程形成β結晶相，因此，作者將其用作線性FE聚合物以獲得輕微的交聯。

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

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

此外，其機制通過對聚合物主鏈的簡單加成反應。通過設計該方法開發彈性聚合物FE，期望高β相含量和穩定的網絡將確保FE響應和彈性恢復。

相關文章以“Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight cross-linking”為題發表在Science。

研究背景

具有拉伸性的可穿戴電子產品應具有足夠的彈性，以符合生物組織，并適應大（高達50至80%）和頻繁應變的身體運動。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，研究者已經提出了基于固有彈性導體或半導體的可穿戴傳感器和電路的原型。然而，鐵電體（FEs）是現代電子產品的關鍵和有前途的基礎材料，其彈性鐵電體產生的彈性鐵電體仍然落后于其固有彈性對應物，阻礙了其在新興可穿戴設備中的應用。

FE具有可逆的自發極化和獨特的特性（FE響應），使其適用于廣泛的應用，從電子到電力和生物醫學應用。然而，盡管能夠實現較大的塑性變形，基于聚偏二氟乙烯（PVDF）的主要聚合物FE在應力消除后未能恢復，更不用說傳統的氧化物FE甚至在拉伸開始時經歷脆性破壞。

因此，為可穿戴電子產品開發一種新的FE來克服這種FE響應-彈性恢復困境至關重要，但具有挑戰性。

通常，電子材料的彈性化可以通過具有機械和幾何設計的剛性材料的結構工程，將功能材料混合到彈性體中或功能材料的內在彈性化。

通過結構工程制造的樣品只能實現有限的拉伸范圍（小于預應變值）;它們通常需要復雜的制造技術，并顯示陣列內降低的器件密度。通過將氧化物FE顆粒混合到彈性體中獲得的復合材料遇到了極具挑戰性的極化問題。

實際上，在這些復合材料中，每個氧化物顆粒的FE結構域是隨機定向的，這需要有效的極化。然而，由于電場主要在低導電彈性體相中劃分，因此需要對氧化物FE顆粒具有非常高的極化場，以應對復合材料的介電和機電擊穿的高風險。因此，內在彈性可能是有效賦予FE彈性的唯一可能途徑。

研究內容

圖1.? 彈性FEs的概念

圖2.? 彈性FE薄膜的交聯表征及力學性能

圖3.? 交聯[P(VDF-TrFE)]薄膜的FE響應

圖4.? 彈性系數在張力作用下的FE響應

總的來看，本文提出了一種“輕微交聯”方法來開發彈性FE。通過將塑料聚合物FE與軟鏈稍微交聯成穩定的FE網絡，成功地制備了彈性FE，該網絡可以通過溶液處理和標準電子工業方法生產。

同時，彈性聚合物FE同時表現出FE響應和彈性恢復，即使在高達70%的應變下也是如此。輕微交聯是解決聚合物FE彈性化FE響應-彈性恢復困境的有效途徑。作者相信，實現固有彈性FE可以彌合FE材料與新興可穿戴電子產品之間的差距，從而實現可穿戴傳感、信息存儲以及能量的轉導和存儲等廣泛的潛在應用。

文獻信息

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

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/01/ad2cc0f199/

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