研究背景
高熵材料是指由多種元素或化學組分組成的材料，具有比傳統單一組分材料更優異的性能。自2004年高熵合金首次提出以來，高熵材料的研究迅速發展，已經在合金、陶瓷等領域取得了顯著成就，展示出了優異的力學、熱學和電學性能。
然而，高熵聚合物的研究仍處于初級階段，且尚未像合金和陶瓷那樣形成明確的定義和應用標準。特別是在鐵電聚合物的應用中，如何克服傳統材料在能量存儲和電容器應用中的瓶頸，成為亟待解決的關鍵問題。
近日，來自華中科技大學材料學院周華民教授和劉洋教授等人在高熵鐵電聚合物領域取得了重要突破。該研究突破在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Enhanced energy storage in high-entropy ferroelectric polymers”的最新論文。該團隊通過低劑量質子輻照技術，成功誘導了P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物形成高熵超順電相，顯著提升了材料的儲能性能。研究發現，質子輻照引發的多種化學反應，成功地在聚合物中引入了多種化學鍵，增強了聚合物的極性和介電常數，并且有效抑制了鐵電損耗。通過第一性原理計算和相場模擬，團隊首次驗證了高熵超順電相的存在，并觀察到該相能夠在低電場下推遲極化飽和，從而顯著提高了電容器的儲能密度和充放電效率。
該研究的成果為高熵聚合物在介電儲能應用中的潛力提供了新的思路，特別是在克服傳統鐵電聚合物的早期極化飽和和高鐵電損耗問題上，展現出了巨大的應用前景。此外，團隊還發現高熵策略不僅能夠提升介電儲能性能，還能顯著改善低電場下的電卡制冷效應，為未來電活性聚合物材料的設計與應用開辟了新的方向。這一研究成果為高性能鐵電聚合物材料的開發提供了理論依據和實踐指導，推動了高熵材料在柔性電子、能源存儲等領域的進一步應用。
該團隊成員博士后李晨祎博士、南方科技大學李波副教授為共同第一作者，合作者還包括材料學院張海波教授，賓夕法尼亞州立大學王慶教授和陳龍慶教授及上海交通大學楊天南副教授等。
研究亮點
（1）實驗首次通過低劑量質子輻照誘導，成功在弛豫鐵電聚合物P(VDF-TrFE-CTFE)中形成高熵超順電相，顯著改善其儲能性能。該高熵相通過引入多種化學鍵，在不破壞聚合物結晶性和鏈間距的情況下，增強了聚合物的極化強度和介電常數。
（2）實驗通過第一性原理計算與相場模擬相結合，確認了高熵相的存在，并通過微觀結構與性能表征驗證了其優異的電性能。研究表明，該高熵狀態能夠推遲極化的過早飽和，降低鐵電損耗，顯著提高儲能性能。例如，在低電場強度下（100 MV/m），高熵聚合物的放電能量密度達到了3.2 J/cm3，充放電效率為87.2%，接近商用雙向拉伸聚丙烯（BOPP）在高電場下的儲能表現。
（3）實驗通過引入局域強極性化學鍵與降低局域極化翻轉勢壘的方式，進一步提高了聚合物的介電常數與極化強度，協同提升了其儲能性能。研究還發現，高熵策略在提升聚合物儲能性能的同時，對低電場下的電卡制冷效應也具有顯著改善，為高性能電活性聚合物材料的設計與器件應用提供了新的方向。
圖文解讀
圖1：介電材料中的儲能示意圖。
圖2：質子輻照P(VDF-TrFE-CTFE)的介電與鐵電特性。
圖3：質子輻照誘導的高熵相。
圖4：高熵三元共聚物的電容性能。
結論展望
本文研究揭示了低劑量輻照誘導的化學反應能夠有效地驅動鐵電聚合物向高熵相轉變，突破了以往依賴于成分調節的高熵設計方法。這一創新方法不僅改善了聚合物的極化強度、延遲了極化飽和，還顯著降低了鐵電損耗，為提高能量密度提供了新的思路。其次，文章提出的高熵設計不僅適用于提高聚合物的儲能性能，還對其電熱效應等其他功能特性，如壓電和熱電特性，展現出了廣泛的應用潛力。
這表明，高熵策略具有跨領域的適用性，為設計具有優異性能的聚合物材料開辟了新方向。此外，研究還強調了通過分子機制的深入分析，推動了對高熵鐵電聚合物的理解，為未來開發多功能聚合物器件提供了理論基礎。總之，這項工作為高性能鐵電聚合物的設計提供了新的科學框架，并為多功能材料的開發提供了廣闊的前景。
原文詳情：
Li, C., Liu, Y., Li, B. et al. Enhanced energy storage in high-entropy ferroelectric polymers. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02211-z
