近日，南洋理工大學的研究人員開發了一種新材料，當向其施加電能時，其彎曲能力比競爭對手高40倍，從而為更好的微型機器開闢了道路。
Fan Hong Jin 教授 (左) PhD Hu Yuzhong（右）
新型材料賦能微型機器
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近日，南洋理工大學物理與數學科學學院（School of Physical & Mathematical Sciences）的研究團隊開發出了一種新型柔性材料，該材料在保證其性能的前提下提高了材料柔韌性，為微型機器的發展提供了支持。
NTU物理與數學科學學院
新型材料彎曲能力卓群
這種新材料相比過去的材料，彎曲能力更強，未來可能被應用於微型機器領域。
當材料彎曲時，它可以非常有效地發電，並且可以用於更好的「能量收集」。這意味這種材料可能能夠僅通過日常運動為小工具中的電池充電。
新型材料既是電致伸縮的又是壓電的。電致伸縮性是指，當施加電流時它可以改變形狀，而壓電則意味著該材料可以將壓力轉換成電荷。當施加電場時，構成電致伸縮材料的原子移動，從而導致材料變形和彎曲。當壓電材料被壓縮時，壓力被轉換為電荷，這些電荷積聚在材料中。
科學家發現，當施加電場時，這種新的混合材料可能會變形至22％，這是迄今為止壓電材料中最高的應變。這種變形比率遠遠超過了傳統的壓電材料，當電流通過時，壓電材料的變形率最高僅為0.5％。另外，新材料還比其他壓電和電致伸縮材料更節能。
壓電材料通常用于吉他，揚聲器，傳感器和電動機。例如，壓電拾音器是一種用於電吉他中的設備，用於將琴弦上的振動轉換成電信號，然後將其處理以進行音樂錄製或通過揚聲器進行放大。
壓電材料
鐵電晶體最早於1920年被發現，因為其易於集成到電子設備中，所以已被用於製造壓電材料超過70年。然而，鐵電晶體易碎且不易彎曲，只能彎曲0.5％，這極大地限制了它們在電子設備中的應用，例如執行器（將電控制信號轉換為機械運動的部件，例如打開和關閉的閥門）。
除此之外，一些鐵電體還包含有毒的鉛，並且其生成的電子廢物難以回收。傳統的鐵電體（例如鈣鈦礦氧化物）也不適合於需要和皮膚接觸的柔性電子設備，比如跟蹤心律的可穿戴生物醫學設備。
上個月在科學期刊《Nature Materials》上發表的這種新材料很好的解決了以上的問題。這是由南洋理工大學物理與數學科學學院的Fan Hong Jin教授及其團隊發現的，其中包括他的博士生Hu Yuzhong，他是本文的第一作者。團隊的成員還包括來自中國南方科技大學的Junling Wang教授，他曾是南洋理工大學材料科學與工程學院的教授。
Fan Hong Jin 教授 與 Hu Yuzhong
范教授說：「這種新型鐵電材料的柔韌性是同類電致伸縮材料的40倍以上，可用於許多高效裝置，例如在施加電場時會彎曲的致動器和傳感器。憑藉其卓越的壓電性能，該材料還可以用於彎曲時會收集能量的機械設備中，這將有助於為可穿戴設備充電。「
「我們認為，通過進一步優化其化學成分，我們可以在未來大幅改善此性能。並且，這種材料可能在物聯網（IOT）的可穿戴設備的開發中發揮關鍵作用，這是推動第四次工業革命的技術關鍵之一。」
開發柔性鐵電材料
為了開發一種柔性鐵電材料，研究人員修改了混合鐵電化合物C6H5N(CH3)3CdCl3或簡稱PCCF的化學結構，其彎曲能力可能是傳統鐵電化合物的一百倍。
為了進一步擴大材料的移動範圍，科學家們通過將化合物的某些氯（Cl）原子替換為大小與氯相似的溴（Br）來修飾該化合物的化學組成，以在結構上削弱該化合物在特定點的化學鍵。這使材料更加柔軟而不影響其壓電性能。
這種新材料易於製造，僅需要基於溶液的處理，隨著液體的蒸發，晶體就會形成，這與典型的鐵電晶體不同，後者需要使用高功率的雷射和能量來形成。當對新的PCCF化合物施加電場時，其中的原子位移遠比大多數常規鐵電體中的原子位移大得多，其應變比常規壓電材料高出22％。
參考文獻：
1. Hu, Y., You, L., Xu, B. et al. Ferroelastic-switching-driven large shear strain and piezoelectricity in a hybrid ferroelectric. Nat. Mater. (2021).
2. NTU Singapore researchers develop flexible crystals, paving the way for more efficient bendable electronics. NTU news release.
* 本文圖片來源：NTU官網，Nature Materials，壓電材料製造商官網
