Science刊發生醫學院張含悅博士等關于鐵電化學設計的觀點文章

　　近日，在國家自然科學基金、“東南大學十大科學與技術問題”啟動培育基金和江蘇省生物材料與器件重點實驗室自主課題的資助下，東南大學生物科學與醫學工程學院青年教師張含悅與化學化工學院教授熊仁根合作在《科學》（Science）上發表了題為“Ferroelectric polymers take a step toward bioelectronics（鐵電聚合物邁向生物電子學應用）”的觀點論文。在熊仁根教授開創的鐵電化學的指導下，他們結合近年來鐵電化學領域的新進展，對聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）（P(VDF-TrFE)）基塑性鐵電聚合物中實現的本征彈性化進行了評述和展望（Science 2023, 381, 540-544）。張含悅為文章第一作者兼通訊作者，東南大學為第一通訊單位。

　　鐵電材料作為一類重要的功能材料，在國防、航天、信息、能源、醫療等多個領域都有著重大應用。隨著時代的進步，人們對電子設備有著更高的要求和期望。為了滿足生物電子學應用（如軟機器人、健康監測器和可穿戴電子設備）的發展需求，鐵電材料應該是柔軟且柔韌的，尤其是要具有良好的彈性。這些需求對于剛性且脆性的常規鐵電材料（如無機氧化物和離子晶體）是一個巨大的挑戰。盡管鐵電聚合物具有良好的機械柔韌性，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出不可恢復的塑性變形。

　　文章介紹了人們日常生活中最常見的彈性體——橡膠，它們通常是一類具有較低玻璃化轉變溫度的無定形聚合物。鑒于此，為了實現良好的彈性恢復，聚合物材料應具有較低的結晶度。但鐵電性常見于晶態化合物中，其中長程有序的極性序對于鐵電性的產生至關重要。化學交聯是一種常見的簡單且有效的實現本征彈性化的方法。然而，傳統的化學交聯可能會嚴重降低聚合物的結晶度，從而衰減鐵電響應。因此，如何在一種材料中同時實現優異的鐵電性和高回彈性是鐵電體發展百年以來的一個重大挑戰。

　　文章還詳細介紹了同期Science雜志發表的關于通過化學修飾實現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密度（1–2%）的化學交聯方法來實現P(VDF-TrFE)塑性聚合物的彈性化（圖1）。他們發現，VDF摩爾分數為55%時的P(VDF-TrFE)共聚物有著最低的模量和最大的斷裂拉伸率。因此，他們對該比例的P(VDF-TrFE)塑性聚合物進行化學修飾。通過使用軟長鏈交聯劑聚乙二醇（PEG）二胺將P(VDF-TrFE)塑性聚合鏈部分交聯（最佳交聯密度為1.44%），形成彈性交聯網絡，賦予了P(VDF-TrFE)聚合物鐵電體理想的回彈性，同時還保留了其高結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異的高達125%的彈性應變恢復性能；尤其值得注意的是，化學改性后的彈性鐵電聚合物在70%應變的條件下，依舊能觀測到清晰的鐵電電滯回線，這表明應力拉伸作用下該彈性鐵電體仍具有良好的鐵電雙穩態性。

圖1.彈性鐵電體的化學設計思路

　　文章最后指出，結合鐵電化學設計策略中的引入單一手性策略，為未來彈性鐵電材料的化學設計提供了豐富思路。引入單一手性是熊仁根教授提出的鐵電化學理論中設計分子鐵電體的重要原理之一。將手性單體引入聚合物中，或利用手性交聯劑來改性聚合物，單一手性引起的不對稱性可以逐層傳遞到分子結構中，這對于電活性的鐵電聚合物的構筑是至關重要的。同時，手性還將賦予鐵電聚合物新的功能特性，如手光性質、催化對映選擇性等。結合近年來鐵電化學領域的研究進展，該觀點文章還展望了彈性鐵電體在生物醫學應用中的重要前景。在未來，彈性鐵電體將會是鐵電領域的一個重要研究方向。

　　張含悅博士現工作于東南大學江蘇省生物材料與器件重點實驗室，研究方向為分子鐵電體的化學設計及其生物醫學應用，并專注于有機硅鐵電體的研究。她旨在圍繞生物醫學問題，展開鐵電化學與生物醫學應用的交叉研究。自獨立工作以來，相關成果在Science、Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際權威期刊上發表。