上海交通大学，重磅Science！

5月4日，上海交通大学王如竹教授在Science上以“Sustainable cooling with water generation：Dual-use devices offer a different path for more sustainable living”为题发表了展望性文章。

文章指出：预计到2050年，与冷却相关的温室气体排放量将增加五倍，为了满足这些需求，需要高效冷却的替代方法。作者从能源-空气-水之间联系的方向出发，重点分析了现有的炎热干燥区域与实现空气温度-湿度调控的挑战。

基于之前的研究，研究人员通过吸附空气取水、热泵和辐射制冷技术等技术，设计出了一种用于炎热干旱地区的能够兼具可持续冷却和淡水收集的双功能设计思路。

5月12日，上海交通大学钱小石教授和美国宾夕法尼亚州立大学章启明教授等人再次发表了关于铁电方面的重要综述性文章。

聚合物铁电体因其具有高柔韧性、易于制造成复杂形状、机械坚固性和极性活性而被广泛应用。

早在20世纪70年代，聚合物中的铁电在聚偏氟乙烯（PVDF）中被发现，它已经成为电、机械和热能之间的交叉平台，这种铁电软材料及其极性活性衍生物响应一般力（机械应力或温度变化）而经历电极化的变化，反之亦然，从而实现一系列物理效应，包括压电和电致伸缩、电热量和热释电，以及各种介电和铁电效应。

这些多功能聚合物材料适用于应用于人机界面的便携式、小型化和可穿戴电活性器件中的许多不同应用，其易于加工成薄、轻、坚韧和柔韧的薄膜和纤维。

由于在单体、大分子和形态结构水平上容易调整和控制极化过程的缺陷，大大促进了基于这些极性软材料的实际应用的发展，聚合物铁电体在机电耦合效率、电致伸缩应变、电热量泵能力和寿命方面表现出显著的提高。

再加上在50 MV/m的低电场下渐进式4%的电致伸缩应变，这一进步代表了在开发高效的可穿戴感官和触觉设备以及软机器人方面向前迈出的一步。

此外，氟化炔烃（FA）改性弛豫铁电四聚物的压电和机电耦合因子首次超过目前世界上使用最广泛的压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷。

在此，上海交通大学钱小石教授和美国宾夕法尼亚州立大学章启明教授等人总结了介绍了含氟聚合物铁电体的最新进展、其高能交叉耦合效应以及新兴技术，包括可穿戴、高效的机电致动器和传感器、电制冷和介电器件。

研究表明，通过简单的缺陷偏置，极化场相互作用的分子和纳米结构操纵可以引入物理效应的增强，从而能够实现用于新兴沉浸式虚拟世界的多感官和多功能可穿戴设备和可持续未来的智能系统。

相关文章以“Three-dimensional inhomogeneity of zeolite structure and composition revealed by electron ptychography”为题发表在Science。

了解并定制聚合物铁电体的结构和极化响应以获得各自的功能对于这些聚合物体系的开发至关重要。鉴于其丰富的基础化学性质，FA改性的弛豫铁电聚合物可能仍处于起步阶段，分子尺度上的缺陷修饰提供了大量方法来根据需要操纵极性结构和场诱导相变。

考虑到可以选择的单体和纳米级外在夹杂物的大量存在，聚合物铁电体中的缺陷改性在很大程度上仍未得到探索，并且为绿色，智能和元生活方式做出了巨大贡献。通过利用目前可用的先进原位表征和模拟工具，将进一步识别和理解每个功能在多个尺度上的极化机制和过程。

此外，对于不同的交叉耦合和相关应用，应微调材料以展示其各自的优化性能集合。应该解决以下共同的挑战，包括实现低场操作、长寿命、集成和大规模生产的可行策略等。考虑到聚合物薄膜、多层电容器、纤维和织物的商用工艺，这些柔性铁电体有望在触觉、感官和机器人应用中发挥关键作用。

铁电材料是目前应用最广泛的材料系统之一，并且正不断产生具有更高效率的改进功能。基于聚偏氟乙烯（PVDF）的聚合物铁电体的进步为需要便携、轻便、可穿戴和耐用功能的应用提供了弯曲、耦合高效和多功能材料平台。

图1. 聚合物铁电体的基本机理

图2. 使用PVDF基聚合物的电磁应用的进展

图3. 使用PVDF基聚合物的EC冷却技术的进展

图4. PVDF基聚合物的先进介电应用

总之，经过数十年的聚合物铁电体研究和开发，聚合物电介质和聚合物铁电体在分子尺度、纳米尺度和介尺度上的极化过程仍存在许多未知数，考虑到聚合物分子构建和纳米和介尺度结构的丰富聚合物化学性质以及易于制造，这为未来的研究和开发提供了巨大的机遇。

与广泛应用的无机铁电体相比，经过五十多年的研究，基于PVDF的铁电体仍然是在许多应用中成功使用的唯一聚合物铁电体。尽管在许多其他聚合物中观察到铁电性，但低EM耦合和对环境湿度敏感的电活性特性阻碍了它们的实际使用。

利用PVDF基聚合物的丰富极化过程及其底层分子结构，纳米结构和介观结构的活性聚合物研究有可能发现和开发下一代聚合物铁电体，这些聚合物电体可以在更高的温度下操作，并产生高电活性耦合，可与PVDF基聚合物甚至无机铁电体相媲美。

文献信息

Xiaoshi Qian†, Xin Chen†, Lei Zhu, Q. M. Zhang*, Fluoropolymer ferroelectrics: Multifunctional

platform for polar-structured energy conversion, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0902

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