基于液-液界面极性工程的超软有机复合薄膜压电材料研究

针对有机压电材料难以兼具高压电性(d33达22.9 pC/N)与高柔顺性(1×10-6 Pa-1)的难题，研究人员通过极性界面诱导取向策略，在聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯(SIS)/聚乙二醇(PEG)体系中构建极性不对称结构。该复合薄膜性能超越传统有机材料(PVDF等)，且保持60天稳定性，为生物力学传感器开发提供新思路。

　　

突破"鱼与熊掌"难题的柔性电子材料革命
在智能医疗和可穿戴设备蓬勃发展的今天，能像皮肤一样柔软却又具备高压电响应的材料，一直是科学界的"圣杯"。传统压电材料面临残酷的二选一困境：无机陶瓷如锆钛酸铅(PZT)虽具有200 pC/N以上的高压电系数，但其硬度堪比骨骼；而有机材料如聚偏氟乙烯(PVDF)虽柔韧，但压电性能(d₃₃仅30 pC/N)和柔顺性(3.7×10^-10 Pa^-1)与生物组织相差数个数量级。这种"刚性-灵敏"的矛盾严重制约着植入式传感器的发展。

兰州大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，提出了一种颠覆性的解决方案——利用液-液界面极性工程，在两种低空间位阻的线性聚合物(SIS和PEG)中诱导极性不对称。这种创新方法制备的PEG/SIS复合薄膜不仅实现22.9 pC/N的压电系数（媲美PVDF），更突破性地达到1×10^-6 Pa^-1的柔顺性，与皮肤、软骨等生物组织完美匹配。

关键技术方法
研究采用密度泛函理论(DFT)计算揭示PEG-H₂O和SIS-甲苯体系的相互作用机制；通过液相蒸发自组装构建12英寸级薄膜；结合SEM-EDS、FTIR-XRD多尺度表征界面极性分布；采用激光多普勒原子力显微镜(AFM)和准静态d₃₃测试仪量化压电性能；开发基于铜电极/导电膏的两种柔性传感器验证应用潜力。

研究结果

软性聚合物中压电性的设计
通过DFT计算证实，PEG中的-O-与水分子作用会导致键角(C-O-C)和键长(-C-O-)增加，而SIS的饱和C-C键与甲苯相互作用引发类似变化。这种差异使PEG倾向于停留在液-液界面受极性诱导，而SIS主要受溶剂蒸发影响。

PEG/SIS复合薄膜的非对称结构
SEM显示薄膜呈现明显的三层结构：与液-液界面相邻的底层（富含PEG）、受液-气界面影响的起伏状顶层，以及中间的过渡层。EDS图谱证实下表面氧含量显著高于上表面，FTIR检测到下层特有的-C-O-振动峰(1096 cm^-1)，而XRD显示SIS结晶度因PEG缠结而降低。

超乎寻常的柔顺性
应力-应变曲线显示材料断裂伸长率达1100%，柔顺性(1×10^-6 Pa^-1)超越PDLA(3.3×10^-10 Pa^-1)等材料，可承受50%线性弹性变形。这种特性使其能完美贴合关节运动，如图3c展示的弯曲、折叠等极端变形。

卓越的压电性能
AFM测试显示压电响应与驱动电压呈线性关系(d₃₃=8.79 pm/V)。宏观测试中6.82 wt.% PEG含量的薄膜d₃₃达22.9 pC/N，电压系数g₃₃高达400 V·m/N，超越PZT等传统材料。60天内性能无衰减，且在相变温度(56.3°C)以下具有可逆性。

生物力学传感应用
集成铜电极的传感器对指关节弯曲(0-90°)产生-2.11至-12.17 mV响应，拉伸传感器在25-125%应变范围内灵敏度达-0.29 mV，成功实现多关节运动监测。

研究启示
这项研究通过创新的界面极性工程，首次在有机材料中实现高压电性与超柔顺性的统一。其意义不仅在于突破材料性能极限，更开创了"自下而上"构建极性不对称结构的新范式。12英寸薄膜的稳定量产能力，为可穿戴医疗设备、植入式传感器等应用铺平道路。特别是材料与生物组织匹配的力学特性，解决了长期存在的"机械失配"难题，为下一代生物电子接口设计提供了教科书级的范例。