跨学科启发！四院院士，今日Nature！
学术
2024-10-10 21:55
河南
有机铁电材料是指具有自发极化并可通过外加电场反转的材料，其中聚偏氟乙烯（PVDF）基氟聚合物因其独特的β相晶体结构和良好的铁电性能，成为最重要的有机铁电材料。然而，PVDF基材料存在热力学上β相不稳定、高矫顽场等问题，这严重限制了其在低电压存储器和柔性电子设备中的应用。此外，PVDF的复杂半结晶结构也增加了其加工难度。为了解决这些问题，科学家们尝试通过不同的手段，如机械拉伸或共聚改性来获得稳定的β相，但这些方法效果有限，且通常伴随更高的矫顽场和加工困难。为此，美国西北大学S. I. Stupp团队携手在Nature期刊上发表了题为“Peptide programming of supramolecular vinylidene fluoride ferroelectric phases”的最新论文。研究者们采用了一种生物启发策略，通过将短肽序列与疏水性VDF低聚物（OVDF）共价结合，形成肽两亲分子（PA），从而实现了OVDF的超分子组装，成功引导出具有热力学稳定性的铁电相。本研究通过利用这种超分子编程方法，构建了具有带状形态的铁电超分子组装体，相较于传统PVDF基聚合物，显著降低了矫顽场，提升了铁电性能。Samuel Stupp 教授，他是美国国家工程院院士（2012）、西班牙皇家工程院院士 (2015)、美国国家发明家学院院士（2018 年）、美国国家科学院院士（2020）、英国皇家化学学会会士 (2016)。他致力于化学与材料、生物、医学和能源等多学科的融合，从事有机自组装材料的研究。他的代表性研究成果之一是两亲性肽（peptide amphiphiles）在水中自组装形成的高长径比纳米纤维，及其在材料科学和生命科学中的广泛应用。他在超分子化学、纳米技术、生物医用材料和有机电子材料等领域都做出了引领性的杰出贡献。(1) 实验首次通过将VDF低聚物（OVDF）与四肽结合，形成了热力学稳定的铁电超分子组装体，这种组装体展示了独特的带状形态和长轴平行于β折叠氢键方向的特点。研究通过生物启发策略，成功克服了传统PVDF铁电相热力学不稳定性问题，显著降低了矫顽场。(2) 实验通过对OVDF-PA样品的晶体结构分析，确认了该材料的有序超分子架构，其β相的形成与传统PVDF相比更加稳定，并且无需机械拉伸或低温处理。此外，实验发现这些生物分子组装体的矫顽场比传统的铁电共聚物低了两个数量级，同时保持了相似的剩余极化，表现出优异的铁电性能。(3) 实验还通过热力学性能测试，展示了该超分子组装体在40 °C以上仍具有优良的铁电性能，相较于传统含VDF的共聚物具有更高的居里温度，表明其在实际应用中的热稳定性更好。(4) 实验通过与主流商业铁电聚合物的性能比较，证明了OVDF-PA材料的铁电性能在低矫顽场和高热稳定性方面具有显著优势，展示了该材料在低功耗纳米电子学、柔性电子和生物医学器件中的应用潜力。
图1：OVDF-PA组装体的分子结构、形态和超分子结构。图5：OVDF-PA样品相对于主流商业铁电聚合物的铁电性能。本文的研究揭示了通过超分子编程技术，将聚偏二氟乙烯（PVDF）低聚物与肽两亲分子结合，能够有效创造热力学稳定的铁电相。这一发现不仅突破了传统铁电材料依赖于有毒或稀有金属的局限，还为有机铁电材料的发展提供了新的思路。研究表明，OVDF-PA超分子组装体在矫顽场和剩余极化方面表现出优异的性能，尤其是其矫顽场降低了两个数量级，具有良好的应用前景。此外，这种以生物为启发的策略在可持续性方面具有显著优势，可能为柔性电子学和生物医学设备等领域的应用开辟新途径。通过调控分子间的相互作用，这项研究展示了超分子结构设计的潜力，为未来开发新型铁电材料提供了理论基础和实践指导。因此，推动铁电材料的研究向着更加环保、功能丰富的方向发展，将对实现更高效、更低功耗的电子器件产生深远的影响。Yang, Y., Sai, H., Egner, S.A. et al. Peptide programming of supramolecular vinylidene fluoride ferroelectric phases. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08041-4🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
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