实现铁电物理向铁电化学创新性突破——记2023国家自然科学奖二等奖分子压电体的铁电化学设计

  近年来,东南大学化学化工学院熊仁根院士团队原创性地提出了“铁电化学”理论体系,对分子压电材料的设计、合成、调控和机理进行了科学阐明,带动相关领域走出了大海捞针式的盲目探索,进入了化学设计、可控合成和精准调控的新阶段,实现了铁电物理到铁电化学的“从0到1”创新。这一项目相关成果得到了多位中外院士和权威专家的肯定与好评,称其为“突破性发现”,并将压电材料“拓展到了新的领域”,实现了“引人注目的突破”。近日,该团队牵头的“分子压电体的铁电化学设计”获得2023年度国家自然科学奖二等奖。

  分子压电材料具有柔性强、轻量、声阻抗低等独特优势,广泛应用于日常生活、医疗、工业等领域,是国民经济发展和国防建设的重要战略材料之一,未来应用将在信息、生命领域产生重大变革。寻找具有优异压电性材料的突破口是铁电体的设计。

  但自1880年压电效应发现以来,分子压电材料的关键压电系数d33一直与占应用主流的无机压电陶瓷相距甚远。提升分子压电材料的压电系数d33是百年来的重大挑战,而现有的铁电物理唯象理论仅对无机材料的压电性做出了解释,无法指导高压电性分子材料的设计与合成。将分子铁电压电材料的发现从大海捞针式的盲目寻找转变为理性的化学设计至关重要。

  上世纪90年代,该研究团队牵头人熊仁根就开始从事分子铁电领域的研究。2006年年底,熊仁根进入东南大学,成立有序物质科学研究中心,填补了该校在分子铁电领域研究的空白。由于研究难度大,研究团队的组建异常困难,实验室还一度招不到足够数量的研究生。但即使在这样的条件下,熊仁根带领团队排除万难,一步一个脚印地开垦出了分子铁电研究这片领域。

  在熊仁根看来,基础研究过程必须要有“板凳需坐十年冷”的精神,因为科研上并没有“弯道超越”。在国家自然科学基金重大项目、重大研究计划集成项目、国家重大科研仪器研制项目等重点项目的支持下,熊仁根团队创立了“铁电化学”理论体系,带动相关领域从铁电物理的唯象理论跃迁到了化学设计的理论框架体系,进入了化学设计、可控合成和精准调控的新阶段。该团队利用“铁电化学”精准合成系列新型分子压电材料,创制了压电系数d33可以媲美商业化无机压电陶瓷的多个高性能分子压电材料,为铁电材料的研究带来了新的思路和方向,为分子压电材料的实际应用奠定了关键基础,使我国在分子材料领域走在世界前列。

  该项目代表性研究成果发表在《科学》等国际顶级期刊上,部分成果入选2018年度“中国高等学校十大科技进展”,在国内外产生了重要影响,引领了国际分子压电材料领域的发展。

  现阶段,虽然新型分子铁电材料还基本处于基础研究领域,但是“让研究走向应用”一直是该团队努力的方向。

  “下一步,我们将以应用为目标提升分子压电材料的性能,并开发更加新颖的功能特性。”熊仁根团队成员、东南大学化学化工学院教授游雨蒙表示,团队将继续以国家战略目标为导向,以学科交叉为特色,为让我国分子压电材料持续引领世界而不断奋斗。


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