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新材料 | 中国发现新型发电材料:未来可用衣服给手机充电 |
2017年08月03日13:28 纺织导报
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 手机可以像一层薄膜一样随意弯折?B超仪可以贴在身上实时监测身体状况?穿在身上的运动衣可以有自动发电功能?近日,来自东南大学的熊仁根教授团队、游雨蒙教授课题组与合作者在分子铁电、压电材料领域取得重要研究进展。相关研究结果于7月21日发表在国际顶尖学术杂志《科学》(Science)上,标志着中国在分子材料领域又一次走在了世界前列。


压电性指的是材料在受挤压或拉伸时可以产生电,或在材料两端施加电压后材料伸长或缩短的特性。而具有压电性的材料也就被称作为压电材料,这类材料不但可以像马达那样,直接将电力转换成驱动力,还可以用电产生声波、超声波,例如医用B超探头上就使用了压电材料。不仅如此,借助其可以将压力转为电信号的能力,压电材料也被用作超声传感、加速度传感器等,现在智能手机上的“摇一摇”等功能的实现正是借助了压电加速度传感器。

不过,随着科技的发展,人们希望各类电气设备的尺寸越来越小,这就需要对传统压电材料进行更大规模地“压缩”,甚至成为织物,制成衣服穿戴在身上。



“这些需求对传统压电材料来说,就会出现很多问题。”熊仁根教授表示,比如压电陶瓷制作中需要上千度的高温,在这种温度下,大多数精密的电子器件与具有柔性的薄膜都无法耐受这种温度;同时,陶瓷的高硬度在遇到对柔韧性的需求时反而成为缺点;另外不得不提到传统压电陶瓷中通常含有潜在的有毒金属,不利于环境保护并对生物体有可能产生毒性。

这就不得不提到,除了传统的陶瓷材料,还存在另一大类由分子组成的“分子材料”,这类特殊的材料由于其结构灵活多变、性质设计调控空间大、制作成本低、容易制成薄膜、柔韧性好、可降解、无毒害等优点一直以来都是材料研究领域的热点之一。

“为了补充传统压电陶瓷在应用中存在的问题,研究者们近百年来一直在努力提升分子材料的压电性能,希望能用分子材料来补足压电陶瓷的短板,但收效甚微。”熊仁根教授介绍,因此他的科研团队突破传统的合成思路,另辟蹊径,创新性地从提升铁电极轴数量入手、利用相变前后对称性的巨大变化,发现了一类具有优异压电性能的分子铁电材料。

据了解,这种新型分子铁电材料不但秉承了分子材料的种种优势,同时首次在压电性能上达到了传统压电陶瓷的水平。虽然研究还仅存在于实验室内,但随着新型分子铁电体的开发和进步,制作出具有实用性的柔性薄膜压电元件不再是一件难以企及的梦想。

“未来,这种具有优良压电特性的分子铁电材料将会使计算机芯片的体积进一步缩小,使能像纸张一样折叠弯曲的心率计、B超机成为可能,或者利用衣物的弯折对手机充电。同时凭借着分子材料的良好生物兼容性,人们将制作出更加安全的医学植入器件。除此以外,分子压电材料还在传感器、人机交互技术、微机电系统、纳米机器人以及有源柔性电子学等领域具有重大的应用前景。”熊仁根教授对该材料的未来应用充满信心。


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