Adv. Mater. 乙烯共聚物中剪切压电效应在分子模拟等方面的应用

【引言】欧洲地中海纳米材料建模中心的Luana Persano等教授发现有机物展现出超常性能后，利用偏二氟乙烯（VDF，[CH2CF2]n）与三氟乙烯（TrFE）的共聚物制造了基于悬浮P（VDF-TrFE）纳米束压电装置，在医疗应用等方面拥有很好的前景。

【成果简介】

压电材料和相关纳米结构在表面受到施加的机械应力会积累电荷，在此过程中会产生自发的电极化现象。开发运动、机械振动和环境噪音导致的变形现象，这些系统在收集信息、通信技术和个性化的电子产品领域非常有吸引力。固态材料如晶体和陶瓷已经集成在复杂网络中用于互联的器件中，如致动器，传感器和换能器和用作开关的存储器件。最近，新型磁电数据存储、智能穿戴设备自供电源以及植入生物设备采用形状简单的，生物相容性灵活的柔性材料促进了机械能的积累。特别地，对可弯曲和可伸展系统的需要可通过细长纳米结构（如纳米线和纳米管）实现。

在此框架下，欧洲地中海纳米材料建模中心的Luana Persano等教授发现有机物展现出超常的处理灵活性，轻量，大面积，制造成本低，生物相容性好，低机械阻抗，这些优势非常适合水下和医疗应用。此外，他们发现偏二氟乙烯（VDF，[CH2CF2]n）与三氟乙烯（TrFE）的共聚物非常稳定，可以达到很高的结晶度（>90％）。而且，它们不需要进行极化，因为它们可以直接从熔体或溶液状态结晶成铁电体（β）相。这些材料的压电性与氢和氟原子中的电负性差异有关，同时决定了碳骨架垂直方向上的有效偶极矩。因此，这些薄膜或纳米结构经常在顶部/底部接触部分得到应用。

【图文简介】

图1：实验装置及样品示意图

(a) 通过正常的3d晶体截面得到的典型的单轴压电效应图
(b) 配有压电P(VDF-TrFE)纳米束的实验装置图
图片简析：坐标轴如图所示，突显出单轴极化组件的横断面方案(插图a)，双轴纤维(插图b)

由总能量和力的优化形成的VDF（c）和VDF-TrFE共聚物（d）的侧面结构图
图片简析：深灰色,白色和青色标签分别代表C,H,和F原子。绿色箭头定义为最小能量非应变系统中的Pε= 0时空间极化方向。插图显示的是相应的压电张量的草图(eij)。eij矩阵图中的小(大)点对应于零(非零)组件，而红色(黄色)对应于正常(剪切)应力。

图2：红外光谱透射光谱图

图片简析：对VDF和VDF-TrFE化合物光谱进行比较，实验(实线)和理论(虚线)。数字(1)-(6)代表两个系统共同的光谱特征峰(≈845，≈885，≈1074，≈1186，≈1280，≈1402 cm−1)。字母(a)-(c)标注了振动峰值(1065、1270和1287cm−1)并与单位TrFE的C-F和C-H键的震动相结合。为使清晰度提高，光谱是垂直转动的。

图3：制备过程及实验结果示意图

（a）示意图展示了基于悬浮P（VDF-TrFE）纳米束压电装置的制造步骤，图未按比例制。
（b）边缘以金属覆盖的悬浮压电线（比例尺，5 μm）的SEM图像，插图：导线的高倍率图像（比例尺，1 μm）。
（c）根据对悬丝重复加载/卸载循环测得的输出电压。从底部到顶部：垂直线位移是38，48，和109 nm。

表1：压电张量的正常的组分计算值以及PVD和P(VDF-TrFE)(VDF:TrFE≅70:30)介电张量的对角元素计算值。

注：e11范围指的是稀释和集群系统变化(见正文)，其他组分未发现变化。

表2：PVD和P(VDF-TrFE)(VDF:TrFE≅70:30)的压电张量的计算剪切组份。

注：E34范围：稀释和集群系统之间的计算差异（见主文本）。其他组件未发现变化。

【小结】
偏二氟乙烯共聚物展现出超常的处理灵活性，制造成本低，共聚物非常稳定，可以达到很高的结晶度等优势，这些优势使之非常适合水下和医疗应用，有着很好的前景。

文献链接：

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）

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