让手机随意折叠？科学家研制的弹性铁电材料就能做到！

出品：科普中国

作者：石雾遥（生物学博士）

监制：中国科普博览

你能想象穿上一件贴身的衣服就能随时监测到自身的心率、呼吸等信息，让你时刻关注自己的健康情况吗？你能想象每天使用的手机可以柔软贴身并且随意折叠了吗？

新型弹性铁电材料的问世或许能让这些想法变成现实。

2023年8月4日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队在《科学》杂志上发表了一项关于新型高分子铁电材料的文章，这种材料兼具弹性与铁电性，填补了材料领域的一大空白。

研究成果发表于《科学》杂志

（图片来源：《科学》杂志）

铁电材料是什么？

铁电材料是材料领域中一类重要的绝缘性功能材料，通常指具有铁电性能的材料，主要是晶体材料。

在一些晶体材料中，构成晶体的基本单元晶胞的内部正负电荷中心不重合，因此会产生电偶极矩，从而发生晶体的自发极化现象，进而赋予材料的铁电性能。

金刚石，硬度较大的晶体材料之一

（图片来源：veer图库）

由于晶体的电偶极矩方向会随着外加电场的改变而改变，因此铁电材料自带记忆功能，能自由实现数据的存储和读取。

铁电材料主要应用于电传感器、光电器件、高精度电机等重要领域中，也是我们平时使用的电子产品中不可或缺的一部分。

由于晶体本身是不具有弹性性能的，当其受到外力作用时，产生的回弹力能力小于5%，因此传统的铁电材料也不具有弹性。

随着柔性电子领域、智能传感感知、可穿戴电子设备等的发展，人们对于铁电材料的性能提出了更高的要求。

不但需要铁电材料实现数据存储与提取，传感等性能提升，更需要铁电材料具有弹性来实现材料的形变，进而实现材料的随意弯曲，全方位满足可穿戴的需求。

可穿戴设备：智能手表

（图片来源：veer图库）

如何让铁电材料“弹起来”？

铁电材料内部的结晶区是其发挥功能的主要区域。

传统材料内部结晶区分子的排布是线性且规整的结构，分子链之间没有共价连接，因此对材料施加外力时，会破坏材料内部的结构，进而造成材料铁电性的破坏。

科学家利用聚偏氟乙烯-三氟乙烯作为反应基体材料，选择带有可弯曲折叠的链状聚氧化乙烯二胺作为交联剂，采用“微交联法”将晶体包裹在交联剂形成的网络中，最终完成材料的制备。

弹性铁电材料的概念与合成

（A）铁电材料在外力作用下分子尺寸变化示意图及塑性和弹性变形的应力-应变曲线图；（B）弹性聚合物交联示意图

（图片来源：参考文献[1]）

形成的新材料内部是相互交织的渔网状结构，此结构在承受70%的应变外力作用时，渔网状结构也能将外力分散进而保证结晶区分子正常发挥作用，进而维持材料的铁电性能。

同时，通过控制材料合成过程中交联剂的使用，可以保证此材料能产生可逆的形变，新材料的拉伸率可达到125%，是传统材料的几十倍。

不仅如此，承受了上千次的反复拉伸后，弹性铁电材料仍旧能保持形状的稳定，可见使用寿命之长。

该弹性铁电材料的问世让人们穿上具有弹力的实时监测心率背心、拿着柔软贴身的手机变成了可能。

应变力作用下材料的弹性响应

（A-C）材料在在0和70%应变力下的形变；（D）0和70%应变力下材料的电场及极化强度变化；（E）不同应变力下材料的弹性响应

（图片来源：参考文献[1]）

智能材料还有哪些？

我们生活的方方面面都需要材料，小到我们平时贴身穿的衣物，大到我们住的楼房，材料可谓是无时无刻不伴随着我们。那么，除了弹性铁电材料以外，科学家们还研制出了哪些智能材料呢？

这就不得不先给大家介绍一下自我修复的高分子材料了。

科学家们利用生物工程对大肠杆菌进行改造，使其能够感知外界的蓝光，并通过外界蓝光的调控实现某种功能性蛋白质的表达。

随后，科学家们将大肠杆菌的生物膜进一步矿化，最终得到矿物质复合材料。这种材料的生物相容性好，未来能用于骨损伤修复领域，为人类的健康带来福音。

骨损伤修复

（图片来源：veer图库）

其次要给大家介绍的是智能变温建筑材料。

科学家们利用电化学及光学的相关知识设计了一种智能化的自动变温建筑材料。

这种材料是由可以保留红外能量使温度升高的固体铜，及通过发射红外线使温度降低的电解质水溶液组成。

固体铜块

（图片来源：veer图库）

因此，当材料周围的温度发生变化时，材料可以自动改变对周围红外热辐射的发射率，进而实现对温度的自动调节。

由此可见，利用此种建材建造的大楼可以自动实现冬暖夏凉。

接下来则是光响应高分子材料的登场。

随着科技水平的进步，科学家研制了一种含有光致变色偶氮苯的光敏感的液晶聚合物薄膜，并将其涂覆在机器人表面，为机器人穿上外衣。

通过外界光的变化，人们可以实现利用外界的光来调控机器人的抓放行为。

利用偶氮二苯乙炔液晶高分子材料和聚乙烯薄膜等复合构筑的可见光控制机械手

（图片来源：参考文献[5]）

科技改变生活，创新让生活更加美好。相信有了这些智能材料后，交通出行、医疗健康、建筑工程等多个领域都会取得更加快速的发展。

参考文献：

[1]Liang Gao et al. Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight cross-linking.Science381,540-544(2023).

[2]肖静,孙晓琴,刘韩星,等.织构型钙钛矿铁电材料的研究进展[J].硅酸盐通报, 2004, 23(5):5.

[3]Wang Y, An B, Xue B, et al. Living materials fabricated via gradient mineralization of light-inducible biofilms. Nat Chem Biol 2021 Mar;17(3).

[4]Chenxi Sui, Jiankun Pu, Ting-Hsuan Chen, et al. Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation. Nat Sustain (2023).

[5]Cheng F., Yin, R., Zhang Y., Yen C.-C., Yu Y., Fully plastic microrobots which manipulate objects using only visible light. Soft Matter, 2010, 6, 3447.