中國發(fā)現(xiàn)新發(fā)電材料:或可用衣物彎折給手機(jī)充電

22日，記者從東南大學(xué)獲悉，該校熊仁根教授團(tuán)隊(duì)、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。相關(guān)研究結(jié)果于近日發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》(Science)上，受到全球?qū)W界關(guān)注。

22日，熊仁根教授在接受記者采訪時(shí)介紹，壓電性指的是材料在受擠壓或拉伸時(shí)可以產(chǎn)生電，或在材料兩端施加電壓后材料伸長或縮短的特性。而具有壓電性的材料也就被稱作為壓電材料，這類材料不但可以像馬達(dá)那樣，直接將電力轉(zhuǎn)換成驅(qū)動力，還可以用電產(chǎn)生聲波、超聲波，例如醫(yī)用B超探頭上就使用了壓電材料。不僅如此，借助其可以將壓力轉(zhuǎn)為電信號的能力，壓電材料也被用作超聲傳感、加速度傳感器等，現(xiàn)在智能手機(jī)上的“搖一搖”等功能的實(shí)現(xiàn)正是借助壓電加速度傳感器。“上到衛(wèi)星火箭、下到漁船潛水艇，從軍用導(dǎo)彈到醫(yī)用B超，可以說壓電材料的使用已經(jīng)深入到社會的每一個(gè)層面中。”

不過，隨著科技的發(fā)展，人們希望各類電氣設(shè)備的尺寸越來越小，這就需要對傳統(tǒng)壓電材料進(jìn)行更大規(guī)模地“壓縮”，甚至成為織物，制成衣服穿戴在身上。

“這些需求對傳統(tǒng)壓電材料來說，就會出現(xiàn)很多問題。”熊仁根教授告訴記者，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(shù)精密的電子器件與具有柔性的薄膜都無法耐受這種溫度;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(tǒng)壓電陶瓷中通常含有潛在的有毒金屬，不利于環(huán)境保護(hù)并對生物體有可能產(chǎn)生毒性。

這就不得不提到，除了傳統(tǒng)的陶瓷材料，還存在另一大類由分子組成的“分子材料”，這類特殊的材料由于其結(jié)構(gòu)靈活多變、性質(zhì)設(shè)計(jì)調(diào)控空間大、制作成本低、容易制成薄膜、柔韌性好、可降解、無毒害等優(yōu)點(diǎn)一直以來都是材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

“為了補(bǔ)充傳統(tǒng)壓電陶瓷在應(yīng)用中存在的問題，研究者們近百年來一直在努力提升分子材料的壓電性能，希望能用分子材料來補(bǔ)足壓電陶瓷的短板，但收效甚微。”熊仁根教授介紹，因此他的科研團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)的合成思路，另辟蹊徑，創(chuàng)新性的從提升鐵電極軸數(shù)量入手、利用相變前后對稱性的巨大變化，發(fā)現(xiàn)了一類具有優(yōu)異壓電性能的分子鐵電材料。

據(jù)了解，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(dá)到了傳統(tǒng)壓電陶瓷的水平。雖然研究還僅存在于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，但隨著新型分子鐵電體的開發(fā)和進(jìn)步，制作出具有實(shí)用性的柔性薄膜壓電元件不再是一件難以企及的夢想。

“未來，這種具有優(yōu)良壓電特性的分子鐵電材料將會使計(jì)算機(jī)芯片的體積進(jìn)一步縮小，使能像紙張一樣折疊彎曲的心率計(jì)、B超機(jī)成為可能，或者利用衣物的彎折對手機(jī)充電。同時(shí)憑借著分子材料的良好生物兼容性，人們將制作出更加安全的醫(yī)學(xué)植入器件。除此以外，分子壓電材料還在傳感器，人機(jī)交互技術(shù)，微機(jī)電系統(tǒng)，納米機(jī)器人以及有源柔性電子學(xué)等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。”熊仁根教授對該材料的未來應(yīng)用充滿信心。

記者了解到，這一研究成果已于2017年7月21日被國際頂尖學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》在線發(fā)表，標(biāo)志著中國在分子材料領(lǐng)域又一次走在了世界前列。

這一論文同時(shí)也是江蘇省“分子鐵電科學(xué)與應(yīng)用”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(前身為東南大學(xué)有序物質(zhì)科學(xué)研究中心)的一項(xiàng)重要成果。論文的第一作者和共同通訊作者游雨蒙教授以及合作作者廖偉強(qiáng)博士(共同第一作者)、熊仁根教授(共同通訊作者)、葉恒云教授、張毅教授、付大偉教授、李鵬飛博士、王金蘭教授等均來自該實(shí)驗(yàn)室。