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高分子鐵電材料具有可塑性高、易于制造成復雜形狀、機械韌性和自發(fā)極化等獨特的特點，能夠實現(xiàn)電、機械和熱能之間的高效交叉耦合，產生一系列如儲能、壓電/電致伸縮效應、電卡/熱釋電效應、鐵電存儲等效應。這些以含氟高分子為主體的聚合物材料可以輕松加工成輕薄、堅韌和柔韌的薄膜和纖維，適用于便攜式、小型化和可穿戴的電活性裝置。

偏氟乙烯基聚合物50余年來的發(fā)展及其電活性在機電耦合、電熱耦合與能量/信息存儲中的應用

近兩年，鐵電高分子材料及其衍生物在機電耦合效率、電致伸縮應變、電卡制冷/熱泵能力和循環(huán)使用壽命等方面取得了顯著進步，并極大地促進了該柔性自極化材料的實際應用和發(fā)展。近年來的一系列應用突破證明了利用缺陷調控極化過程能夠精確調控高分子在不同能量轉化過程中的效率。在單體選擇、高分子結晶和極化微區(qū)形態(tài)結構層面上，涌現(xiàn)了一系列突破性的工作。最新研究表明，氟化烷基（FA）修飾的弛豫鐵電四聚物的壓電和機電耦合系數(shù)首次超過了目前世界上使用最廣泛的壓電陶瓷——PZT壓電陶瓷。在50 MV/m的低電場下，該鐵電材料達到了4%的電致應變。這一進展有望推動高效感知和觸覺設備，以及低能耗的電活性驅動器等領域的快速發(fā)展。稍早于以上報道，由類似方法設計的電卡聚合物材料在超低電場下表現(xiàn)出超過7.5K的大電卡制冷效應且不易產生疲勞，首次實現(xiàn)了超過百萬次的制冷循環(huán)。這些電卡聚合物可以提供定制化、零GWP、節(jié)能的制冷/熱泵解決方案，從而在目前商業(yè)熱泵、空調和冰箱等產業(yè)的碳減排領域貢獻力量。

鐵電聚合物的研究進展，從最初的單聚物到現(xiàn)在的四聚物，催生了大批利用其高效機電、電熱以及電介質能量轉化效應的應用，有利于現(xiàn)代社會的可持續(xù)發(fā)展，也為鐵電物理學、功能高分子等領域研究提供新方向和機遇。當前研究發(fā)現(xiàn)，對于不同的能量轉化過程，所需的極性單元的設計與控制策略不盡相同，因此需要針對明確的應用場景設計特異性的鐵電高分子。未來的研究需要進一步探索鐵電聚合物分子結構和極化響應的關系，設計跨尺度缺陷來修飾/操縱極性結構，降低場致相變勢壘，以更高效的軟物質能量轉化促進綠色、智能和元宇宙的生活方式。目前高分子行業(yè)的成熟制程（多層電容、纖維織物等）可以為快速生產、迭代未來的先進功能高分子薄膜器件帶來便利，有望在即將到來的元宇宙的觸覺感知、機器人應用中發(fā)揮關鍵作用，更可作為平板或可穿戴空調的固態(tài)制冷工質，提供目前市場上其他產品無法提供的可穿戴、輕量化、低能耗的主動冷熱調控能力。

該研究工作獲得國家自然科學基金委，上海市自然科學基金“基礎研究領域”、“原創(chuàng)探索”項目等資助。錢小石教授長期從事功能材料與智能系統(tǒng)研究，參與了多款活性高分子、陶瓷功能材料設計與制備工藝研發(fā)，在磁電傳感、機電耦合、介電儲能與電卡制冷等領域開展面向工程應用的基礎研究工作；研制了世界首臺利用塑料制冷的芯片制冷系統(tǒng)，首次實現(xiàn)了無人工干預、無電子電路控制的軟物質自主向光性、趨光性驅動。近兩年，該團隊從工程應用角度出發(fā)，利用高分子化學方法突破了電卡、壓電高分子與器件應用相關的物性瓶頸，進一步完善了極化高熵材料中電致相變的電介質物理圖像，設計并制造了系列電卡制冷系統(tǒng)樣機。相關基礎研究工作發(fā)表于Nature (2篇)、Science (2篇)等高水平學術刊物，相關應用研究成果所涉及的多項專利已獲國家專利授權，并在國內相關企業(yè)產業(yè)化，填補了國內空白。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0902