Adv. Mater. 乙烯共聚物中剪切壓電效應在分子模擬等方面的應用

【引言】歐洲地中海納米材料建模中心的Luana Persano等教授發現有機物展現出超常性能后，利用偏二氟乙烯（VDF，[CH2CF2]n）與三氟乙烯（TrFE）的共聚物制造了基于懸浮P（VDF-TrFE）納米束壓電裝置，在醫療應用等方面擁有很好的前景。

【成果簡介】

壓電材料和相關納米結構在表面受到施加的機械應力會積累電荷，在此過程中會產生自發的電極化現象。開發運動、機械振動和環境噪音導致的變形現象，這些系統在收集信息、通信技術和個性化的電子產品領域非常有吸引力。固態材料如晶體和陶瓷已經集成在復雜網絡中用于互聯的器件中，如致動器，傳感器和換能器和用作開關的存儲器件。最近，新型磁電數據存儲、智能穿戴設備自供電源以及植入生物設備采用形狀簡單的，生物相容性靈活的柔性材料促進了機械能的積累。特別地，對可彎曲和可伸展系統的需要可通過細長納米結構（如納米線和納米管）實現。

在此框架下，歐洲地中海納米材料建模中心的Luana Persano等教授發現有機物展現出超常的處理靈活性，輕量，大面積，制造成本低，生物相容性好，低機械阻抗，這些優勢非常適合水下和醫療應用。此外，他們發現偏二氟乙烯（VDF，[CH2CF2]n）與三氟乙烯（TrFE）的共聚物非常穩定，可以達到很高的結晶度（>90％）。而且，它們不需要進行極化，因為它們可以直接從熔體或溶液狀態結晶成鐵電體（β）相。這些材料的壓電性與氫和氟原子中的電負性差異有關，同時決定了碳骨架垂直方向上的有效偶極矩。因此，這些薄膜或納米結構經常在頂部/底部接觸部分得到應用。

【圖文簡介】

圖1：實驗裝置及樣品示意圖

(a) 通過正常的3d晶體截面得到的典型的單軸壓電效應圖
(b) 配有壓電P(VDF-TrFE)納米束的實驗裝置圖
圖片簡析：坐標軸如圖所示，突顯出單軸極化組件的橫斷面方案(插圖a)，雙軸纖維(插圖b)

由總能量和力的優化形成的VDF（c）和VDF-TrFE共聚物（d）的側面結構圖
圖片簡析：深灰色,白色和青色標簽分別代表C,H,和F原子。綠色箭頭定義為最小能量非應變系統中的Pε= 0時空間極化方向。插圖顯示的是相應的壓電張量的草圖(eij)。eij矩陣圖中的小(大)點對應于零(非零)組件，而紅色(黃色)對應于正常(剪切)應力。

圖2：紅外光譜透射光譜圖

圖片簡析：對VDF和VDF-TrFE化合物光譜進行比較，實驗(實線)和理論(虛線)。數字(1)-(6)代表兩個系統共同的光譜特征峰(≈845，≈885，≈1074，≈1186，≈1280，≈1402 cm?1)。字母(a)-(c)標注了振動峰值(1065、1270和1287cm?1)并與單位TrFE的C-F和C-H鍵的震動相結合。為使清晰度提高，光譜是垂直轉動的。

圖3：制備過程及實驗結果示意圖

（a）示意圖展示了基于懸浮P（VDF-TrFE）納米束壓電裝置的制造步驟，圖未按比例制。
（b）邊緣以金屬覆蓋的懸浮壓電線（比例尺，5 μm）的SEM圖像，插圖：導線的高倍率圖像（比例尺，1 μm）。
（c）根據對懸絲重復加載/卸載循環測得的輸出電壓。從底部到頂部：垂直線位移是38，48，和109 nm。

表1：壓電張量的正常的組分計算值以及PVD和P(VDF-TrFE)(VDF:TrFE?70:30)介電張量的對角元素計算值。

注：e11范圍指的是稀釋和集群系統變化(見正文)，其他組分未發現變化。

表2：PVD和P(VDF-TrFE)(VDF:TrFE?70:30)的壓電張量的計算剪切組份。

注：E34范圍：稀釋和集群系統之間的計算差異（見主文本）。其他組件未發現變化。

【小結】
偏二氟乙烯共聚物展現出超常的處理靈活性，制造成本低，共聚物非常穩定，可以達到很高的結晶度等優勢，這些優勢使之非常適合水下和醫療應用，有著很好的前景。

文獻鏈接：

Shear Piezoelectricity in Poly(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene): Full Piezotensor Coefficients by Molecular Modeling, Biaxial Transverse Response, and Use in Suspended Energy-Harvesting Nanostructures（Adv. Mater. ,2016, DOI:10.1002/adma.201506381）

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。