Блог

Jul 22, 2023

Высокий

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4867 (2022) Цитировать эту статью

6536 Доступов

39 цитат

Подробности о метриках

Полимерно-керамические пьезоэлектрические композиты, сочетающие в себе высокие пьезоэлектричество и механическую гибкость, вызывают растущий интерес как в научных кругах, так и в промышленности. Однако их пьезоэлектрическая активность в значительной степени ограничена низкой кристалличностью и слабой спонтанной поляризацией. Здесь мы предлагаем метод закрепления MXene Ti3C2Tx для управления межмолекулярными взаимодействиями внутри полностью транс-конформации полимерной матрицы. Используя моделирование фазового поля и расчеты молекулярной динамики, мы показываем, что поверхностные окончания OH на нанолистах Ti3C2Tx обеспечивают водородную связь с фторполимерной матрицей, что приводит к дипольному выравниванию и усилению чистой спонтанной поляризации полимер-керамических композитов. Затем мы перевели эту стратегию межфазного соединения в электропрядение, чтобы повысить пьезоэлектрический отклик композитных нановолокон Pb (Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3/поливинилиденфторид, легированных самарием, на 160% за счет включения нанолистов Ti3C2Tx. Обладая превосходными пьезоэлектрическими и механическими свойствами, электропряденые пьезоэлектрические нановолокна могут быть легко интегрированы в обычные стельки для обуви, образуя сеть датчиков стопы для всестороннего мониторинга моделей походки, идентификации привычек ходьбы и прогноза метатарзальгии. В этой работе механизм межфазной связи межмолекулярного сцепления используется в качестве стратегии разработки высокоэффективных пьезоэлектрических композитов для носимой электроники.

Пьезоэлектрические материалы имеют решающее значение для разработки современных датчиков и исполнительных механизмов1,2,3,4,5,6,7. Благодаря интригующим свойствам легкого веса, гибкости, биосовместимости и простоты переработки поливинилиденфторид (ПВДФ) и его сополимеры широко используются в области датчиков, преобразователей и энергетики8,9,10,11,12,13. Пьезоэлектричество композитов ПВДФ в основном определяется кристаллическими фазами и спонтанной поляризацией, при этом α-фаза имеет диэдрическую конформацию TGTG' (Т-транс, G-гош+, G'-гош-) с двугранным углом ±60°, а β-фаза имеет полностью транс-конформацию (TTTT) с двугранным углом 180 °, а γ-фаза имеет изломчатую конформацию TTTGTTG'. Среди них β-фаза является наиболее электроактивной полярной фазой, демонстрирующей превосходные пьезоэлектрические, пироэлектрические и сегнетоэлектрические свойства14. Соответственно, получение β-фазы необходимо для улучшения пьезоэлектричества фторполимеров. С этой целью использовались различные методы обработки, чтобы вызвать выравнивание диполей для увеличения содержания электроактивной β-фазы, включая механическое растяжение15, электрическое поляризование16 и термический отжиг17. Между тем, включение мономеров TrFE в цепи ПВДФ может также изменить кинетику кристаллизации пленок ПВДФ и привести к морфотропному поведению, подобному фазовой границе (МПБ) (например, высокой пьезоэлектрической активности) в пьезоэлектрических полимерах8,11,18,19,20 . Объединяя преимущества как высокоэффективной пьезоэлектрической керамики, так и гибких фторполимеров, пьезоэлектрические композиты являются выбором материалов для биоэлектроники следующего поколения, ориентированной на широко распространенные сценарии, такие как мягкая робототехника21, биомониторинг22,23,24,25,26, и человеко-машинный интерфейс5,13,27. Тем не менее, случайное распределение и сложная связность керамических наполнителей внутри фторполимерной матрицы вызывают неоднородность и разрыв неорганических и органических границ раздела, что затрудняет дальнее выравнивание дипольных моментов в полимерных цепях и, следовательно, полностью транс-конформацию (т.е. полярную β-фаза)28,29,30. Между тем, большая разница в диэлектрической проницаемости между керамическими наполнителями и полимерной матрицей резко ослабляет приложенное электрическое поле в керамике во время электрического полюса и тем самым ограничивает эволюцию доменов и постоянную поляризацию31,32,33. Следовательно, крайне желательно разработать высокоэффективные пьезоэлектрические композиты с полностью транс-конформацией и сильной поляризацией.