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Science报道“四两拨千斤”实现分子晶体压电性飞跃

作者:时间:2024-04-01访问量:
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本网讯(国际有序物质科学研究院)3月29日,350vip浦京集团国际有序物质科学研究院汤渊源教授与东南大学等科研人员合作,在《科学(Science)》上发表题为“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response(具有大压电响应的可生物降解铁电分子晶体)”的研究长文(research article),报道了“四两拨千斤”实现分子晶体的压电性飞跃(Science 2024,383, 1492-1498)。汤渊源教授为文章共同第一作者(排名第二),350vip浦京集团为通讯单位之一。

随着我国科学技术的不断发展,人们对医疗健康的需求也日益旺盛。在这样的背景下,植入式压电生物医学器件的研究蓬勃发展,有望为人们带来生活质量的显著提升。目前,压电应用的主流材料主要依赖于无机铁电陶瓷和铁电聚合物。然而,这些传统材料存在一个显著问题,即它们不可生物降解。这意味着,当这些材料制成的植入式电子器件应用于人体时,需要进行二次手术以移除它们,这无疑增加了患者的风险与不便。相比之下,铁电分子晶体以其独特的优势脱颖而出。它们合成简便、易于溶液加工,同时具备轻量、良好的生物相容性和可调的物理性能。因此,铁电分子晶体被视为植入式瞬态压电器件的理想候选材料。然而,目前市场上可生物降解的铁电分子晶体数量稀少,且其压电性能不尽如人意,压电响应d33普遍低于10 pC/N。因此,如何突破这一技术瓶颈,开发出既具备高压电性能又可实现生物降解处理的铁电分子晶体,已成为该领域亟待解决的关键问题。

结合晶体工程和熊仁根教授创立的铁电化学思想,团队效仿β相的聚偏氟乙烯(PVDF)结构,选择在有限奇数个–CF2–基团的两端锚定–CH2OH,结合氢键相互作用(类似纽带)形成了无限长的链状结构,开发了一例铁电分子晶体2,2,3,3,4,4-六氟-1,5-戊二醇(HFPD)(图1)。值得一提的是,通过将PVDF的–CF2–结构单元(n)从上千个减少至仅3个,实现了小分子压电性能的四倍提升(其d33为138 pC/N),起到了四两拨千斤的作用(图1)。这一发现,将可植入式压电材料的压电性能推向了新的高度。HFPD晶体中,相邻分子间通过O–H···O氢键的相互作用,形成了一种独特的二维氢键网络。这一特性使得HFPD晶体能够轻松溶解于多种溶剂,特别是体液,这对于化合物在生物体内的降解过程极为有利。此外,该化合物还展现出了良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性,这为其在生物医疗领域的应用提供了广阔的前景。考虑到晶体的脆性和刚性,该团队通过溶液蒸发法制备了d33为34.3 pC/N的HFPD-聚乙烯醇(PVA)柔性压电复合薄膜。基于这一压电复合薄膜,团队还成功组装了一个可控的瞬态机电器件,并证实其具有良好的生物传感性能。这一成果不仅为瞬态植入式电子医疗器件提供了有前途的候选材料,也为分子压电材料在人体健康领域的应用开辟了新的重要出口。

图1. 高压电性可生物降解铁电体的“四两拨千斤”设计理念。

在大道至简的理念下,以n = 3替代了压电聚合物中冗长复杂的无限结构单元,成功构筑出具备良好生物降解特性的高压电铁电分子晶体。审稿人对于该工作给予了高度评价,认为它是瞬态可植入压电材料领域里程碑式的关键突破(a key milestone for transient implantable piezoelectric materials)。该工作还被《Science》以Perspective的形式进行重点评述(Science 2024,383, 1416),指出在铁电分子晶体中实现如此优异的压电性能是压电材料发展史上的一个里程碑(a milestone in piezoelectricmaterial development)。


原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj1946


编    辑:程慧萍

责任编辑:涂金凤