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中國(guó)解決分子壓電材料世紀(jì)難題 以后可以用衣服給手機(jī)充電
從東南大學(xué)網(wǎng)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)果以“An organic-inorganic perovskite ferroelectric with large piezoelectric response（《一種具有巨大壓電響應(yīng)的有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦鐵電體》）”為題于美國(guó)東部時(shí)間2017年7月21日發(fā)表在高尖學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》（Science）上。
文中指出，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(zhǎng)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(dòng)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(hào)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。
不過(guò)，伴隨著技術(shù)的進(jìn)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實(shí)現(xiàn)以往手機(jī)、筆記本電腦的所有功能。在醫(yī)學(xué)保健方面，越來(lái)越多的研究者希望將血壓計(jì)、B超機(jī)等“大型設(shè)備”縮小并集成在日常衣物上做成“可穿戴的”醫(yī)療器械。
這些需求對(duì)傳統(tǒng)壓電材料來(lái)說(shuō)，就會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題。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(wú)法耐受這種溫度；
同時(shí)，陶瓷的高硬度在遇到對(duì)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(duì)生物體有可能產(chǎn)生毒性。
而除了傳統(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(wú)毒害等優(yōu)點(diǎn)一直以來(lái)都是材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
這次東南大學(xué)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(duì)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(shì)，同時(shí)在壓電性能上達(dá)到了傳統(tǒng)壓電陶瓷的水平。
未來(lái)，這種具有優(yōu)良?jí)弘娞匦缘姆肿予F電材料將會(huì)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(duì)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。
