介电弹性体的序列异构化使其在电应变、弹性能量储存和能量采集方面表现出更高的性能

《Journal of Materials Chemistry A》：Sequence isomerization of dielectric elastomers toward high performances in electrostrain, elastic energy storage, and energy harvesting

介电弹性体（DEs）通过引入带电模型的高精度粗粒度分子动力学（CGMD）模拟，首次揭示了异构体序列化对其机电性能的调控机制：头对头异构体配置在降低链偶极矩的同时，使平面应变（S_p）提升45%，机电能量密度激增378%。研究还发现S_p与时间呈对数关系（S_p = a×lg(time) + b），异构体序列化在高频电场下显著提高电荷密度（66%）、放电密度（162%）和最大极化（72%），同时使静电势能提升85%并增强循环稳定性，为DEs多功能设计及能量存储/收集应用开辟新路径。

　　

介电弹性体（DEs）作为执行器、电容器和发电机的候选材料具有很大的潜力，但它们存在介电常数低和能量密度不足的问题。此外，其背后的作用机制目前尚不清楚，这可以通过分子动力学模拟来阐明。然而，传统的粗粒化分子动力学（CGMD）模拟由于缺乏库仑力，无法研究DEs的机电耦合效应，从而限制了DEs在实现高性能方面的结构设计。在这项工作中，我们首次使用带电模型通过CGMD模拟研究了DEs的介电响应。观察到一个有趣的现象：头对头的异构体配置可以降低链状分子的偶极矩，但将平面区域的应变（S_p）提高了45%，机电能量密度提高了378%。这种机制与电场作用下网络结构中偶极子排列的改善有关。此外，序列异构性显著加快了响应速度，并揭示了一个此前未报道的标度律——S_p = a × lg(时间) + b。序列异构性还显著提高了在高电场下的电荷密度、放电密度、放电效率以及最大极化强度，分别提高了66%、162%、58%和72%。由于介电响应速度快，这些异构体的性能不受电场频率和应力的影响，显示出它们在弹性能量存储方面的巨大潜力，而这正成为下一代高性能电容器的一种有前景的技术。此外，序列异构化还能将静电势能提高85%，并赋予材料优异的循环稳定性，从而扩展了其在能量收集系统中的应用范围。这项工作为多功能DEs的设计提供了一种新策略，并为研究DEs的介电响应提供了一种新方法。未来，可以通过开发带电模型的CGMD模拟来设计新型DEs，例如介电液晶弹性体和本征弹性铁电材料。