四院院士，再发Nature！
米测MeLab
2024-10-12
研究背景
随着有机铁电材料研究的不断发展，它们因其轻质、机械柔性和低毒性而引起了广泛关注。有机铁电材料能够与生物系统接口或集成到软电子设备中，展现出极大的应用潜力。然而，目前最具技术重要性的有机铁电材料是基于聚偏氟乙烯（PVDF）的氟聚合物，其铁电相虽然能够在薄膜应用中表现出良好的铁电性能，但存在一些问题。首先，PVDF中的β相铁电性并不稳定，通常需要通过机械拉伸或与三氟乙烯（TrFE）进行随机共聚来实现。此外，PVDF基聚合物的高矫顽场（约500kV cm−1）限制了其在低电压存储器和其他低功耗电子设备中的应用。尽管近年来有些研究表明低聚偏氟乙烯可能具有较好的铁电性，但尚未有热力学稳定的铁电相实现。为了解决这些问题，科学家们探索了一种全新的策略，通过超分子编程引导低聚偏氟乙烯（OVDF）与短肽序列结合形成热力学稳定的铁电相。具体来说，研究者使用了肽两亲分子（PAs），这些分子通过肽段与疏水片段共价结合，驱动其在水中自组装成一维纳米结构。这种策略不仅保持了PVDF的优良铁电性能，还显著降低了矫顽场。为此，美国西北大学S. I. Stupp院士等人携手在Nature期刊上发表了题为“Peptide programming of supramolecular vinylidene fluoride ferroelectric phases”的最新论文。本研究通过这种生物启发的策略，成功解决了PVDF基材料中铁电相热力学不稳定和高矫顽场的问题。通过肽两亲分子引导的自组装，研究者实现了低聚偏氟乙烯的有序排列，生成了一种热力学稳定的带状铁电超分子结构。相比传统PVDF基聚合物，这种新型材料展现出两倍低的矫顽场，且居里温度更高。该研究为软铁电材料的开发提供了一条新途径，不仅在功能材料的设计中具有可持续性，还为低功耗电子设备和生物医学应用带来了新的可能性。 Samuel Stupp 教授，美国国家工程院院士（2012）、西班牙皇家工程院院士 (2015)、美国国家发明家学院院士（2018 年）、美国国家科学院院士（2020）、英国皇家化学学会会士 (2016)。他致力于化学与材料、生物、医学和能源等多学科的融合，从事有机自组装材料的研究。他的代表性研究成果之一是两亲性肽（peptide amphiphiles）在水中自组装形成的高长径比纳米纤维，及其在材料科学和生命科学中的广泛应用。他在超分子化学、纳米技术、生物医用材料和有机电子材料等领域都做出了引领性的杰出贡献。
研究亮点
(1) 实验首次利用短肽序列进行超分子编程，成功将低聚偏氟乙烯（OVDF）组装成热力学稳定的铁电相。通过将仅有六个VDF重复单元与四肽共价连接，设计了一种水溶性分子，该分子在水中自发组装成带状的铁电超分子结构。这些结构中的长轴平行于β折叠的氢键方向和VDF六聚体的极性轴，形成稳定的β相。 (2) 实验通过超分子动力学调控，得到了极低矫顽场和优异的铁电性能。相较于传统的PVDF基共聚物，这种生物分子组装体的矫顽场降低了两个数量级，而剩余极化水平保持相似。此外，这些组装体的居里温度比含有相同VDF含量的共聚物高出约40°C。
图文解读
图1：OVDF-PA组装体的分子结构、形态和超分子结构。图5：OVDF-PA样品相对于主流商业铁电聚合物的铁电性能。
总结展望
本文的研究为铁电材料领域提供了重要的价值。首先，利用短肽序列引导VDF低聚物形成热力学稳定的铁电相，展示了生物启发策略在功能材料设计中的潜力。这一方法不仅突破了传统有机铁电材料的高矫顽场限制，还实现了低外加电场下的极化切换，具有广泛的应用前景，尤其是在低功耗电子设备和生物医学器械方面。此外，OVDF-PA组装体的优异热力学行为和铁电性能相较于主流商业铁电聚合物，强调了超分子动力学在调控材料性质中的关键作用。这一发现为未来开发新型软铁电材料奠定了基础，特别是在生物兼容性和可持续性方面的应用，符合当今材料科学对环境友好的追求。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
