東南大學研發新型壓電材料，未來衣服褶皺或能實現充電

東南大學研究團隊研發出新型分子壓電材料，解決了130年來制約分子材料發展的世紀難題。

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

首先，我們先來簡單認識一下何為壓電。

顧名思義，壓電就是壓力與電的簡稱，暗含壓力與電場之間的物理關係。100多年前，是居里兄弟在研究石英時首次發現了壓電現象，而人們所熟知的石英手錶，它的核心元件就是一個壓電石英晶片。

現在，在生活中，我們其實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，廠家在點火裝置里裝了壓電陶瓷，當用戶按下點火裝置的彈簧時，傳動裝置就把壓力施加在壓電陶瓷上，使它產生很高的電壓，進而將電能引向燃氣的出口放電，於是，燃氣就被電火花點燃了。而壓電陶瓷的這種功能就叫做壓電效應。

關於壓電效應的原理，就是存在一種材料，即我們所說的壓電材料，如果我們對這種材料施加壓力，伴隨著材料受壓力後的伸長或縮短，相應的會產生電位差（即正壓電效應）；反之，如果施加電壓，它則產生機械應力（即逆壓電效應）。

壓電材料可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用產生機械變形，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。

在現實生活中的應用中，常見的壓電材料就是陶瓷壓電材料。儘管它已經獲得了廣泛的應用，但是伴隨著技術的進步，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現以往手機、筆記本電腦的所有功能。在醫學保健方面，越來越多的研究者希望將血壓計、B超機等「大型設備」縮小並集成在日常衣物上做成「可穿戴的」醫療器械。

這時，傳統壓電材料的種種局限逐漸就暴露出來，比如壓電陶瓷製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法耐受這種溫度，因此製作壓電陶瓷薄膜需要付出巨大的代價；同時，陶瓷的高硬度在遇到對柔韌性的需求時反而成為缺點；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，不利於環境保護並可能對生物體產生毒性。

當然除了傳統的壓電材料，還有一類由分子組成的「分子材料」，這類特殊的材料由於其結構靈活多變、性質設計調控空間大、製作成本低、容易製成薄膜、柔韌性好、可降解、無毒害等優點一直以來都是材料研究領域的熱點之一。

東南大學的研究團隊為解決分子材料的壓電性這一世紀難題帶來了曙光，他們突破傳統的合成思路，從提升鐵電極軸數量入手、利用相變前後對稱性的巨大變化，發現了一類具有優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勢，同時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於實驗室內，但隨著新型分子鐵電體的開發和進步，後面製作出具有實用性的柔性薄膜壓電元件將會很快實現。

未來，應用這種材料將會進一步縮小計算機晶元的體積；此外，像紙張一樣摺疊彎曲的心率計、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現對手機的充電。

在醫藥學領域，憑藉著該分子材料的良好生物兼容性，科學家將製作出更加安全的醫學植入器件。

這一研究成果於美國當地時間7月21日被國際頂尖學術雜誌Science在線發表，此舉也標誌著我國在分子材料領域走在了世界前列。

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