研究背景
隨著有機鐵電材料研究的不斷發(fā)展，它們因其輕質(zhì)、機械柔性和低毒性而引起了廣泛關(guān)注。有機鐵電材料能夠與生物系統(tǒng)接口或集成到軟電子設(shè)備中，展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。然而，目前最具技術(shù)重要性的有機鐵電材料是基于聚偏氟乙烯（PVDF）的氟聚合物，其鐵電相雖然能夠在薄膜應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的鐵電性能，但存在一些問題。首先，PVDF中的β相鐵電性并不穩(wěn)定，通常需要通過機械拉伸或與三氟乙烯（TrFE）進行隨機共聚來實現(xiàn)。此外，PVDF基聚合物的高矯頑場（約500kV?cm?1）限制了其在低電壓存儲器和其他低功耗電子設(shè)備中的應(yīng)用。盡管近年來有些研究表明低聚偏氟乙烯可能具有較好的鐵電性，但尚未有熱力學(xué)穩(wěn)定的鐵電相實現(xiàn)。為了解決這些問題，科學(xué)家們探索了一種全新的策略，通過超分子編程引導(dǎo)低聚偏氟乙烯（OVDF）與短肽序列結(jié)合形成熱力學(xué)穩(wěn)定的鐵電相。具體來說，研究者使用了肽兩親分子（PAs），這些分子通過肽段與疏水片段共價結(jié)合，驅(qū)動其在水中自組裝成一維納米結(jié)構(gòu)。這種策略不僅保持了PVDF的優(yōu)良鐵電性能，還顯著降低了矯頑場。為此，美國西北大學(xué)S. I. Stupp院士等人攜手在Nature期刊上發(fā)表了題為“Peptide programming of supramolecular vinylidene fluoride ferroelectric phases”的最新論文。本研究通過這種生物啟發(fā)的策略，成功解決了PVDF基材料中鐵電相熱力學(xué)不穩(wěn)定和高矯頑場的問題。通過肽兩親分子引導(dǎo)的自組裝，研究者實現(xiàn)了低聚偏氟乙烯的有序排列，生成了一種熱力學(xué)穩(wěn)定的帶狀鐵電超分子結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)PVDF基聚合物，這種新型材料展現(xiàn)出兩倍低的矯頑場，且居里溫度更高。該研究為軟鐵電材料的開發(fā)提供了一條新途徑，不僅在功能材料的設(shè)計中具有可持續(xù)性，還為低功耗電子設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來了新的可能性。 Samuel Stupp 教授，美國國家工程院院士（2012）、西班牙皇家工程院院士 (2015)、美國國家發(fā)明家學(xué)院院士（2018 年）、美國國家科學(xué)院院士（2020）、英國皇家化學(xué)學(xué)會會士 (2016)。他致力于化學(xué)與材料、生物、醫(yī)學(xué)和能源等多學(xué)科的融合，從事有機自組裝材料的研究。他的代表性研究成果之一是兩親性肽（peptide amphiphiles）在水中自組裝形成的高長徑比納米纖維，及其在材料科學(xué)和生命科學(xué)中的廣泛應(yīng)用。他在超分子化學(xué)、納米技術(shù)、生物醫(yī)用材料和有機電子材料等領(lǐng)域都做出了引領(lǐng)性的杰出貢獻。
研究亮點
(1) 實驗首次利用短肽序列進行超分子編程，成功將低聚偏氟乙烯（OVDF）組裝成熱力學(xué)穩(wěn)定的鐵電相。通過將僅有六個VDF重復(fù)單元與四肽共價連接，設(shè)計了一種水溶性分子，該分子在水中自發(fā)組裝成帶狀的鐵電超分子結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)中的長軸平行于β折疊的氫鍵方向和VDF六聚體的極性軸，形成穩(wěn)定的β相。 (2) 實驗通過超分子動力學(xué)調(diào)控，得到了極低矯頑場和優(yōu)異的鐵電性能。相較于傳統(tǒng)的PVDF基共聚物，這種生物分子組裝體的矯頑場降低了兩個數(shù)量級，而剩余極化水平保持相似。此外，這些組裝體的居里溫度比含有相同VDF含量的共聚物高出約40°C。
圖文解讀
圖1：OVDF-PA組裝體的分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)和超分子結(jié)構(gòu)。圖2：OVDF-PA組裝體的晶體結(jié)構(gòu)。圖4：OVDF-PA超分子組裝體的熱力學(xué)行為。圖5：OVDF-PA樣品相對于主流商業(yè)鐵電聚合物的鐵電性能。
總結(jié)展望
本文的研究為鐵電材料領(lǐng)域提供了重要的價值。首先，利用短肽序列引導(dǎo)VDF低聚物形成熱力學(xué)穩(wěn)定的鐵電相，展示了生物啟發(fā)策略在功能材料設(shè)計中的潛力。這一方法不僅突破了傳統(tǒng)有機鐵電材料的高矯頑場限制，還實現(xiàn)了低外加電場下的極化切換，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在低功耗電子設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)器械方面。此外，OVDF-PA組裝體的優(yōu)異熱力學(xué)行為和鐵電性能相較于主流商業(yè)鐵電聚合物，強調(diào)了超分子動力學(xué)在調(diào)控材料性質(zhì)中的關(guān)鍵作用。這一發(fā)現(xiàn)為未來開發(fā)新型軟鐵電材料奠定了基礎(chǔ)，特別是在生物兼容性和可持續(xù)性方面的應(yīng)用，符合當今材料科學(xué)對環(huán)境友好的追求。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
