中国发现新型发电材料有何重大意义?

2017-07-24 22:16 作者:刘言 来源:多维新闻 浏览: 字号:

摘要:中国东南大学熊仁根教授团队、游雨蒙教授课题组与合作者在分子铁电、压电材料领域取得重大科研进展,相关研究结果于2017年7月21日在国际顶尖学术杂志《科学》在线发表后,吸引了全球学界的目光。 能源是驱动人类社会发展的动力,早前,多维新闻曾在《中国人

中国东南大学熊仁根教授团队、游雨蒙教授课题组与合作者在分子铁电、压电材料领域取得重大科研进展,相关研究结果于2017年7月21日在国际顶尖学术杂志《科学》在线发表后,吸引了全球学界的目光。

能源是驱动人类社会发展的动力,早前,多维新闻曾在《中国人造太阳再获大突破 为何让西方忧虑》一文中谈到,聚变能源的开发有可能“一劳永逸”地解决人类能源需要。而中国科学家团队此次的研究成果则意味着中国在分子材料领域再次走在了世界前列,新型发电材料的发现给多个领域的应用前景提供了重大想像及实操可能。


中国科技团队在分子铁电、压电材料领域取得重大科研进展,给多个领域的应用前景提供了想像可能(图源:Reuters)

压电材料的前世今生

1880年3月,法国居里兄弟——物理学家皮耶(Pierre Curie)和雅克(Jacques Curie)发现,在石英晶体的特定方向上施加压力或拉力会使晶体表面出现电荷,并且电荷的密度与施加外力的大小成比例,这即是压电材料的正压电效应。随后,居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应,并得到石英晶体的正逆压电系数。1894年德国物理学家沃伊特(Woldemar Voigt)指出,结构上具有不对称中心的晶体介质都可能是压电材料。

在最初的研究热潮退潮后,压电研究在之后几十年间稍显沉寂,其中一部份原因概因其理论在数学上极其复杂。但在科技不断进步的现代社会中,压电材料作为机电转换的功能材料,在高新领域已占有越来越重要的地位。

目前,利用压电材料制作的压电传感器广泛应用于压电滤波器、微位移器、驱动器和传感器等电子器件中,在卫星广播、电子设备、生物以及航空航天等高新技术领域也都占据重要地位。上到卫星火箭下到渔船潜水艇,从军用导弹到医用B超,从麦克风、石英表到喷墨打印机,可以说压电材料的使用已经深入到社会的每一个层面中。

熊仁根教授向外界表示,压电性指的是材料在受挤压或拉伸时可以产生电,或在材料两端施加电压后材料伸长或缩短的特性。而具有压电性的材料也就被称作为压电材料,这类材料不但可以像马达那样,直接将电力转换成驱动力,还可以用电产生声波、超声波,例如医用B超探头上就使用了压电材料。不仅如此,借助其可以将压力转为电信号的能力,压电材料也被用作超声传感、加速度传感器等,现在智能手机上的“摇一摇”等功能的实现正是借助压电加速度传感器。

石英晶体是最早发现的压电晶体,也是目前最好的和最重要的压电晶体之一。随着电子工业的快速发展,压电材料亦逐渐出现了复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微型化等趋势。业界人士认为,性能优良的压电材料将成为本世纪最重要的新材料之一。

中国科学家的突破意义

当下的科技时代,人们希望各类电气设备的尺寸越来越小,这也倒逼传统压电材料需要进行更大规模的“压缩”,甚至成为织物,制成衣服穿戴在身上。

人类的新需求对传统压电材料而言,意味着会出现诸多问题。比如压电陶瓷制作需要上千度的高温,而在此高温下大多数精密电子器件与具有柔性的薄膜都无法耐受;同时,陶瓷的高硬度在遇到对柔韧性的需求时反而成为缺点;更重要的是,传统压电陶瓷中通常含有潜在有毒金属,不利于环境保护,并有可能对生物体产生毒性。

研究证实,除了传统陶瓷材料,世界上还存在着另一大类由分子组成的特殊“分子材料”,它们结构灵活多变、性质设计调控空间大、制作成本低、容易制成薄膜、柔韧性好、可降解、无毒害,这些特性使得它们成为材料研究领域的热点。为补充传统压电陶瓷在应用中存在的问题,研究者们近百年来不懈努力,一直试图提升分子材料的压电性能,希望能用分子材料来补足压电陶瓷的短板,但此项研究长期收效甚微。

据熊仁根教授介绍,其科研团队突破传统合成思路,创新性地从提升铁电极轴数量入手,利用相变前后对称性的巨大变化,发现了一类具有优异压电性能的分子铁电材料。据了解,这种新型分子铁电材料秉承了分子材料的种种优势,同时首次在压电性能上达到了传统压电陶瓷的水平。

具有优良压电特性的分子铁电材料意味着制作出具有实用性的柔性薄膜压电元件不再是一件难以企及的梦想,它将会使计算机芯片的体积进一步缩小,使得制造像纸张一样折叠弯曲的心率计、B超机成为可能,凭借着分子材料的良好生物兼容性,人类将有可能制作出更加安全的医学植入器件。

中国科研团队的研究成果也意味着可利用衣物的弯折对手机充电,在未来用衣服给手机充电将不再是一则童话故事。除此以外,分子压电材料还在传感器、人机交互技术、微机电系统、纳米机器人以及有源柔性电子学等领域具有重大的应用前景,给人类带来无数科技想像可能。

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