新型有机铁电材料，低功耗电子设备新突破!

【研究背景】

铁电材料是一类具有自发极化特性的材料，由于其可通过外加电场反转极化，广泛应用于信息存储、能量转换、超低功耗纳米电子学以及生物医学设备等领域。与传统的硬质无机铁电材料相比，有机铁电材料因其轻质、机械柔性、低毒性和与生物系统的良好相容性等优点，逐渐成为研究热点。然而，现有的聚偏氟乙烯（PVDF）基铁电材料仍存在热力学不稳定、复杂的半结晶结构以及高矫顽场等问题，限制了其在低功率电子设备中的应用，这也带来了材料设计和制备上的挑战。

近日，来自美国西北大学S. I. Stupp团队携手在有机铁电材料的研究中取得了新进展。该团队设计了一种基于短肽序列和VDF低聚物（OVDF）的新型超分子组装体，并成功实现了其热力学稳定的铁电相。通过使用肽两亲分子驱动VDF低聚物在水中自组装成一维纳米结构，该材料形成了带状的超分子结构，其长轴与β折叠的氢键方向和VDF六聚体的极化轴平行。利用这种新型组装策略，该材料显著降低了矫顽场（比PVDF共聚物低两倍），并在保持高剩余极化的同时，提升了材料的热稳定性，其居里温度比传统共聚物高出约40°C。

【表征解读】

本文通过一系列先进的表征手段，如原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、选择性区域电子衍射（SAED）、宽角X射线散射（WAXS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、差示扫描量热法（DSC）以及介电谱学（DS），深入探讨了VDF6-PA的聚合物组装现象，揭示了其在纳米尺度下的结构特征和相变行为。

首先，AFM技术的应用使作者能够直观观察VDF6-PA聚合物在液态和干燥状态下的微观形貌变化。通过AFM成像，作者发现聚合物自组装形成的薄膜结构具有良好的均匀性和高度的有序性，从而为理解其物理化学性质奠定了基础。此外，AFM的高分辨率能够帮助作者评估聚合物表面的粗糙度与组装程度，这对后续的电学性能分析至关重要。

其次，TEM与SAED技术的结合为作者提供了VDF6-PA在纳米尺度下的晶体结构信息。SAED结果显示出清晰的衍射斑点，表明VDF6-PA组装体的高度结晶性及其晶体取向的均匀性。这一发现不仅验证了AFM观察到的微观形态，还进一步揭示了聚合物链间的相互作用力对其晶体结构的影响。

在此基础上，WAXS技术用于评估VDF6-PA的宏观晶体结构与相变行为。作者观察到，在不同温度条件下，样品的衍射峰位置和强度发生了显著变化，这提示了聚合物在相变过程中的结构重排现象。结合DSC的热分析结果，作者能够清晰地界定聚合物在不同温度下的热行为及其相变温度，进一步阐明了VDF6-PA的热稳定性与相转变特性。

FTIR谱学技术则为作者提供了聚合物的化学结构信息。通过对比不同相的FTIR谱图，作者发现特征吸收峰的变化与聚合物的分子构象密切相关，表明VDF6-PA的相变过程中存在显著的分子排列和氢键的重新组合。这一发现帮助作者更深入地理解了VDF6-PA在电场作用下的极化机理。

此外，介电谱学的研究结果显示，VDF6-PA在不同频率下的介电常数变化与其微观结构的演变密切相关。通过对聚合物的介电响应进行分析，作者能够揭示其在不同电场条件下的极化特性，为设计新型电介质材料提供了重要的理论依据。

总之，经过多种表征手段的综合运用，作者深入分析了VDF6-PA聚合物的微观结构与相变特性，进而成功制备了具有优异电性能的新材料。这些新材料在柔性电子器件、传感器以及其他智能材料应用领域展现出巨大的潜力，最终推动了材料科学和工程技术的进一步发展。通过对VDF6-PA的研究，作者不仅加深了对聚合物自组装行为的理解，也为未来的高性能功能材料的开发提供了新的思路和方向。

【图文解读】

图1：OVDF-PA组装体的分子结构、形态和超分子结构。

图2：OVDF-PA组装体的晶体结构。

图3：OVDF-PA样品的铁电性。

图4：OVDF-PA超分子组装体的热力学行为。

图5：OVDF-PA样品相对于主流商业铁电聚合物的铁电性能。

【结论展望】

本文的研究揭示了短肽序列在超分子编程中对偏二氟乙烯（VDF）低聚物形成热力学稳定铁电相的重要性，这一发现为有机铁电材料的开发提供了新的思路。首先，采用生物启发的策略通过水溶性分子创建具有自发极化能力的铁电材料，展示了生物材料与合成材料之间的潜在结合，为可持续材料的发展开辟了新的路径。其次，通过调控分子自组装过程，可以显著降低铁电材料的矫顽场，这一特性对于实现低功耗电子设备和生物医学应用至关重要。最后，研究表明，超分子结构不仅能够提高铁电性能，还能够改善材料的热稳定性，这为实现高性能软铁电器件奠定了基础。这一系列发现不仅丰富了铁电材料的研究领域，也为未来的材料设计提供了新的策略，促进了有机电子学、能源转换和生物医学领域的发展。

文献信息：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