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铁电结构具有自发的宏观极化，可以利用外电场进行反转，在信息存储、能量转导、超低功率纳米电子学和生物医学器件等方面具有潜在的应用前景。
这些功能将受益于铁电结构的纳米级控制，在较低的外加场(低矫顽力场)下切换极化的能力和生物相容性。
基于聚偏氟乙烯(PVDF)的软铁电体，在均聚物中具有热力学不稳定的铁电相、复杂的半晶结构和高矫顽力场。
在此，来自美国西北大学的Samuel I. Stupp等研究者报道了由水溶性分子形成的铁电材料，这些水溶性分子仅含有6个共价共轭的VDF重复单元，具有组装成蛋白质中普遍存在的β-片结构的倾向。相关论文以题为“Peptide programming of supramolecular vinylidene fluoride ferroelectric phases”于2024年10月09日发表在Nature上。
铁电材料领域，长期以来主要由硬质无机材料主导，这些材料通常含有有毒或稀有金属，如铅或铌。然而，有机铁电材料因其重量轻、机械柔性好、低毒性以及与生物系统接口和柔性电子设备集成的潜力，正引起广泛关注。先前研究的基于小分子的有机铁电材料包括通过氢键和电荷转移作用形成的共晶体，这些结构有助于生成自发极化所需的非中心对称结构。然而，几十年来，以偏氟乙烯(VDF)为基础的氟聚合物一直是最具技术意义的有机铁电材料，也是迄今为止唯一在许多应用中成功使用的软质铁电材料。在晶态PVDF中，铁电性源于主链的全反式构象，主链包含在交替碳原子上的强CF2偶极子，形成所谓的β相。β相在有机铁电材料中独具特色，它在主链的横截面内生成多轴铁电性，这一特性是实现薄膜应用中优良铁电性能的关键，而这在小分子铁电材料中是一个挑战。然而，PVDF的主要限制在于，相对于其非极性晶体结构，β相在热力学上并不稳定。因此，获得β相通常需要通过机械拉伸聚合物或与三氟乙烯（TrFE）结构单元进行随机共聚，而这些单元并不直接贡献于铁电性。此外，PVDF基聚合物的高矫顽电场（约500 kV cm-1），部分由于其高宏观扭转能垒，阻碍了它们在低压存储器及其他低功耗电子设备中的应用。此前研究表明，聚合度小于10的低聚偏氟乙烯中更易形成β相结晶，但未见铁电行为的报道。此外，通过气相沉积可以在较长的低聚物中形成高度结晶的、具有面内链取向的β相，但这仅能在低于-50°C的低温下实现，导致的矫顽电场甚至高于PVDF基聚合物（超过1000 kV cm-1）。鉴于有机铁电材料中日益增长的应用机会，当前一个重要的科学目标是开发新方法，在纳米尺度上形成这些功能结构的优先排列。此前的研究曾将VDF低聚物接枝到合成的芳香核上，但尚未实现热力学稳定的铁电相的超分子编程。在此，研究者报道了通过短肽序列进行超分子编程，成功引导VDF低聚物（OVDF）组装成热力学稳定的铁电相。为此，研究者使用了称为肽两亲分子的分子，这些分子通过将肽与疏水片段结合，驱动其在水中组装成一维纳米结构。这导致了带状铁电超分子组件的发现，它们的长轴平行于β-片的首选氢键方向和VDF六聚体的双稳定极性轴，具有热力学稳定性。相对于常用的铁电共聚物，由于超分子动力学的结果，生物分子组件表现出低两个数量级的矫顽力场，以及类似水平的残余极化，尽管肽含量为49%。此外，该组件的居里温度比含有相似量VDF的共聚物的居里温度高约40°C。这种超分子系统是使用一种受生物学启发的策略创建的，在可持续性方面具有吸引力，并且可能导致软铁电体的新功能。图1 OVDF-PA组装体的分子结构、形态和超分子结构。图5 OVDF-PA样品相对于领先的商用铁电聚合物的铁电性能。综上所述，该工作将激发可水处理铁电体的进一步发展，用于生物电子学，也可以具有生物活性和可吸收性，或用于催化应用。Yang, Y., Sai, H., Egner, S.A.et al. Peptide programming of supramolecular vinylidene fluoride ferroelectric phases. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08041-48原文链接：https://www.nature.com/articles/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！
