近日，東南大學(xué)召開新聞發(fā)布會宣布，東南大學(xué)研究團(tuán)隊合成首例達(dá)到無機(jī)材料壓電性能的分子材料，分子鐵電、壓電材料領(lǐng)域取得了突破性研究進(jìn)展，解決130年來制約分子材料壓電性的世紀(jì)難題。東南大學(xué)熊仁根教授團(tuán)隊、游雨蒙教授課題組與合作者歷經(jīng)3年多的研究，完成了此項研究，研究結(jié)果已于美國東部時間7月21日發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上。

壓電性，就是材料在受擠壓或拉伸時可以產(chǎn)生電，或在材料兩段施加電壓后材料伸長或縮短的特性。具有壓電性的材料也就被稱作為壓電材料，這類材料不但可以像馬達(dá)那樣，直接將電力轉(zhuǎn)換成驅(qū)動力，還可以用電產(chǎn)生聲波、超聲波，例如醫(yī)用B超探頭上就使用了壓電材料。

不僅如此，借助其可以將壓力轉(zhuǎn)為電信號的能力，壓電材料也被用作超聲傳感、加速度傳感器等，現(xiàn)在智能手機(jī)上的“搖一搖”等功能的實現(xiàn)正是借助壓電加速度傳感器。除此以外，人們所熟知的石英手表的核心元件就是一個壓電石英晶片。上到衛(wèi)星火箭、下到漁船潛水艇，從軍用導(dǎo)彈到醫(yī)用B超，可以說壓電材料的使用已經(jīng)深入到社會的每一個層面中。

伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種電子元件的尺寸日益縮小，人們希望能在一層薄薄的可以彎折的薄膜上實現(xiàn)以往手機(jī)、筆記本電腦的所有功能。在醫(yī)學(xué)保健方面，越來越多的研究者希望將血壓計、B超機(jī)等“大型設(shè)備”縮小并集成在日常衣物上做成“可穿戴的”醫(yī)療器械。

這時，傳統(tǒng)壓電材料的種種局限逐漸暴露出來，比如壓電陶瓷制作中需要上千度的高溫，在這種溫度下，大多數(shù)精密的電子器件與具有柔性的薄膜都無法耐受這種溫度，因此制作壓電陶瓷薄膜需要付出巨大的代價；同時，陶瓷的高硬度在遇到對柔韌性的需求時反而成為缺點(diǎn)；另外不得不提到傳統(tǒng)壓電陶瓷中通常含有潛在的有毒金屬，不利于環(huán)境保護(hù)并對生物體有可能產(chǎn)生毒性。

而除了傳統(tǒng)的陶瓷材料，還存在另一大類由分子組成的“分子材料”，這類特殊的材料由于其結(jié)構(gòu)靈活多變、性質(zhì)設(shè)計調(diào)控空間大、制作成本低、容易制成薄膜、柔韌性好、可降解、無毒害等優(yōu)點(diǎn)一直以來都是材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

為了補(bǔ)充傳統(tǒng)壓電陶瓷在應(yīng)用中存在的問題，研究者們近百年來一直在努力提升分子材料的壓電性能，希望能用分子材料來補(bǔ)足壓電陶瓷的短板，但收效甚微，以往報道過的分子材料其壓電性和壓電陶瓷還有著數(shù)量級的差距。由于壓電性不佳，盡管具有多種優(yōu)點(diǎn)分子材料也無法在壓電領(lǐng)域取得一席之地。

東南大學(xué)的研究者為解決分子材料的壓電性這一世紀(jì)難題帶來了曙光，他們突破傳統(tǒng)的合成思路，另辟蹊徑，創(chuàng)新性的從提升鐵電極軸數(shù)量入手、利用相變前后對稱性的巨大變化，發(fā)現(xiàn)了一類具有優(yōu)異壓電性能的分子鐵電材料。這種新型分子鐵電材料不但秉承了分子材料的種種優(yōu)勢，同時首次在壓電性能上達(dá)到了傳統(tǒng)壓電陶瓷的水平。

雖然研究還僅存在于實驗室內(nèi)，但隨著新型分子鐵電體的開發(fā)和進(jìn)步，制作出具有實用性的柔性薄膜壓電元件不再是一件難以企及的夢想。未來，這種具有優(yōu)良壓電特性的分子鐵電材料將會使計算機(jī)芯片的體積進(jìn)一步縮小，使能像紙張一樣折疊彎曲的心率計、B超機(jī)成為可能，或者利用衣物的彎折對手機(jī)充電。同時憑借著分子材料的良好生物兼容性，人們將制作出更加安全的醫(yī)學(xué)植入器件。除此以外，分子壓電材料還在傳感器，人機(jī)交互技術(shù)，微機(jī)電系統(tǒng)，納米機(jī)器人以及有源柔性電子學(xué)等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。

備注

此項研究也是江蘇省“分子鐵電科學(xué)與應(yīng)用”重點(diǎn)實驗室（前身為東南大學(xué)有序物質(zhì)科學(xué)研究中心）的一項重要成果。本文的第一作者和共同通訊作者游雨蒙教授以及合作作者廖偉強(qiáng)博士（共同第一作者）、熊仁根教授（共同通訊作者）、葉恒云教授、張毅教授、付大偉教授、李鵬飛博士、王金蘭教授等均來自該實驗室。

該重點(diǎn)實驗室于今年年初掛牌成立，研究人員由東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、物理學(xué)院、電子科學(xué)與工程學(xué)院的師生組成，重點(diǎn)實驗室的前身為熊仁根教授2006年組建的東南大學(xué)有序物質(zhì)科學(xué)研究中心，該重點(diǎn)實驗室也是同時也是東南大學(xué)“生物電子學(xué)”國家重點(diǎn)實驗室的組成部分。在熊仁根教授的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊以分子基鐵電材料作為主要研究方向，大量研究成果被國際頂級學(xué)術(shù)期刊發(fā)表，并獲得了包括教育部自然科學(xué)一等獎的多個獎項。有序物質(zhì)科學(xué)研究中心也成為了一支 “領(lǐng)跑”分子鐵電研究的優(yōu)秀團(tuán)隊。值得一提的是，本次的研究結(jié)果也是自2013年來該實驗室在國際頂尖期刊《科學(xué)》上以東南大學(xué)為第一完成單位發(fā)表的第二篇論文。

來源：來源：東南大學(xué)