近期，蘭州大學材料與能源學院劉書海青年教授研究團隊在有機壓電材料領(lǐng)域取得重要突破，提出液-液界面極性工程策略成功攻克有機壓電材料領(lǐng)域長期存在的高壓電性與高柔性難以協(xié)同的共性難題。相關(guān)成果以“Ultra-soft organic combined film with piezoelectricity induced by liquid-liquid interface polar engineering”為題于2025年7月11日發(fā)表在國際著名期刊《Nature Communications》，為研制下一代可植入式生物醫(yī)療傳感器和自適應(yīng)可穿戴設(shè)備奠定了關(guān)鍵材料支撐。
有機壓電材料（如PVDF、聚乳酸等）因其固有的生物相容性，成為制造生物力學傳感器（用于檢測生物組織/器官的收縮、擴張、擠壓和蠕動等運動信號）的理想選擇。然而，此類材料長期面臨兩大瓶頸：壓電性遠低于無機材料；并且柔量（楊氏模量的倒數(shù)）較人體組織相比低3到6個數(shù)量級。
上述性能受限的關(guān)鍵在于兩個方面。其一，高極性分子的規(guī)則、致密排列和高結(jié)晶度是獲得強壓電響應(yīng)的關(guān)鍵。這通常會使分子鏈間存在較強的（如偶極-偶極、氫鍵）相互作用（形成較高的空間位阻），以利于實現(xiàn)穩(wěn)定的極性排列（極化）。然而，強相互作用和高結(jié)晶度會嚴重限制分子鏈的內(nèi)旋和滑移，導致材料變硬。其二，高柔性則需要材料具有類似橡膠態(tài)的特性，其分子鏈高度無規(guī)纏繞，鏈段具有極大的運動自由度（低空間位阻效應(yīng)），分子鏈間作用力較弱（如范德華力）。這種高度無序、松弛的結(jié)構(gòu)允許材料在微小應(yīng)力下發(fā)生大變形。然而，這種高度無序的結(jié)構(gòu)恰恰阻礙了分子鏈或極性基團的規(guī)則取向和穩(wěn)定極化。即使在強外電場下誘導出部分極化，這種無序結(jié)構(gòu)也難以將極化狀態(tài)有效“凍結(jié)”（保持），導致壓電性難以提高甚至下降。
在傳統(tǒng)的有機壓電材料（如PVDF）或其復(fù)合材料體系中，追求高結(jié)晶度或強分子間相互作用以增強壓電性，不可避免地會犧牲分子鏈的運動性，導致材料變硬（柔性降低）；反之，為了獲得接近生物組織的超高柔性而引入柔性鏈段、增塑劑或設(shè)計低密度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，則會顯著破壞分子的規(guī)則排列和極化效率，從而削弱壓電性。因此，傳統(tǒng)的分子自組裝或復(fù)合策略雖能單一提升壓電性或柔性，但始終無法破解“提壓電則損柔性，增柔性則弱壓電”的困境，難以滿足生物力學傳感器對高柔軟度和高靈敏度的“雙高”需求，大大限制了其實際應(yīng)用。
針對上述問題，研究團隊提出了一種液-液界面極性工程策略（圖1），利用線性聚合物（低位阻效應(yīng)）聚乙二醇（PEG）與聚苯乙烯-嵌段-聚異戊二烯-嵌段-聚苯乙烯共聚物（SIS）在甲苯-水界面的極性差異，驅(qū)動相分離形成穩(wěn)定極性不對稱結(jié)構(gòu)，進而在低模量復(fù)合材料體系中產(chǎn)生壓電性。實驗結(jié)果顯示，基于該策略構(gòu)建的PEG/SIS薄膜不僅展現(xiàn)出高達22.9 pC/N的壓電系數(shù)，性能穩(wěn)定，在60天內(nèi)無衰減，與天然有機材料PVDF的壓電性相當，還具有與皮膚、軟骨和主動脈相似的超高柔軟度（1/E約為1×10?? Pa?1），顯示出與生物組織的高度機械順應(yīng)性。這項工作為設(shè)計新型高性能有機壓電材料提供了新的思路，有望推動其在生物力學傳感器領(lǐng)域的實際應(yīng)用。
圖1. PEG/SIS超柔性壓電薄膜的構(gòu)想與合成
圖2. PEG/SIS超柔性壓電薄膜與傳統(tǒng)壓電材料在楊氏模量與壓電性方面的對比
該技術(shù)為構(gòu)建新型生物集成電子開辟新路徑。“液-液界面極性工程從根本上解決了有機壓電材料柔性和壓電特性不可兼得的矛盾，”研究團隊成員劉書海指出，“該策略有效破解了材料壓電性與柔性的互斥難題。這種‘皮膚級’壓電材料可無縫貼合人體器官，為植入式心臟監(jiān)測、腦機接口及智能假肢提供材料支撐。”
研究工作由蘭州大學材料與能源學院博士研究生張永康（第一作者）等人合作完成，劉書海青年教授和秦勇教授為本文通訊作者。研究得到國家自然科學基金、甘肅省自然科學基金和科技部國家重點研發(fā)計劃項目支持。
論文信息：
DOI: 10.1038/s41467-025-61526-2
