熊仁根院士:分子铁电化学学科领军学者

11月22日,2023年两院院士增选结果正式揭晓,东南大学化学化工学院教授熊仁根当选中国科学院化学部院士。

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熊仁根的研究对象是由小分子有序排列构成的分子基铁电体,这是一种特殊功能性材料,具有相变点(居里点)、自发极化、自发极化能在外电场作用下重新取向或反转、有电畴或畴的反转等本征特性,因其独特的性能和优势,可以广泛应用于储存、探测以及光电等领域,有望在薄膜、柔性、环保等方面成为传统无机铁电体的有益补充。

熊仁根专注于分子铁电化合物的设计合成与功能研究,取得了系统性和创新性成果,系统地设计合成了各种类型的多功能铁电体,初步建立起有效的理论体系来设计、控制和优化分子系统中的铁电性和压电性,提出“铁电化学”的概念,旨在从化学的角度来理解铁电性,为探索高性能分子铁电体提供有效的方法学指导。

上世纪90年代,熊仁根就开始从事分子铁电领域的研究,方向从非中心对称配合物一直到分子铁电体。在2006年底,他来到东南大学,并成立“有序物质科学研究中心”。从此,东南大学在分子铁电领域的研究开始了从无到有、从有到优的跨越。

“在基础研究过程中,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’,需要的是认准一个方向,不忘初心,耐得住寂寞,踏实勤奋,才能将研究与学问做好、做精。”熊仁根说。

由于相关学科本身在国内基础薄弱,研究难度大,使研究团队的组建异常困难。在东南大学的支持和团队成员的坚持下,经过多年砥砺前行,“有序物质科学研究中心”逐步开垦出了分子铁电研究这片处女地,总结了寻找分子铁电体的经验方法,为铁电材料的研究带来了新的思路和方向,得到了国际学术界的广泛的认可。

据介绍,铁电化学包括似球—非球、引入单一手性和H/F取代等普适性设计策略,熊仁根利用这一方法,精准合成了众多新型分子铁电体,特别是发现了性能比肩无机陶瓷铁电体的多个高性能分子铁电体。这些突出成果带动并推动了我国分子铁电科学研究,引领国际分子铁电科学的研究与发展方向。

压电材料在变形时会产生电荷,因此非常适合各种类型的传感器。然而,几乎所有高性能压电材料都是陶瓷材料,这很难满足可穿戴器件对于柔性传感器的迫切需求。为了补充传统压电陶瓷在应用中存在的问题,研究者们近百年来一直在努力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,但收效甚微。

铁电体属于压电体的一种,分子铁电体具有结构可调性、机械柔韧性和低声阻抗等特性,以及可环保加工、低成本和生物相容性等优势。熊仁根科研团队突破传统的合成思路,另辟蹊径,创新性的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不但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。

现阶段,新型分子铁电材料还基本应用在基础研究领域,但让研究走向应用一直是熊仁根团队努力的方向。多篇权威期刊论文的发表、多次获奖都证明了新型分子铁电材料所具有的强劲的发展前途,也为其日后能更广泛应用于社会生活开启了一扇门。

“未来我们将瞄准存储、探测、能量转换等应用出口,以双稳态特性、压电特性等功能特性为导向,同时结合小组研究成员大规模多学科交叉的背景和优势,从分子设计和可控合成入手,利用化学、物理、材料、电子等多重手段对新型分子铁电体的应用进行探索,努力拓宽其应用前景,提高应用潜力,降低应用成本与难度,将分子铁电材料真正推向实际应用。”熊仁根说。

个人简介

熊仁根,1961年生,东南大学教授,博士生导师。2002年获得国家杰出青年基金资助。2次获得国家自然科学奖二等奖(排名第一和第二)、3次获得教育部自然科学奖一等奖(2次排名第一和1次排名第二)。受邀为PNAS(USA)文章编辑,并担任《国家科学评论》(Natl. Sci. Rev.)等期刊编委。

熊仁根教授长期从事无机配位化学研究,是国际分子铁电材料的开拓者。熊仁根教授以通讯作者在《科学》杂志等主流期刊上发表论文110余篇。论文累计他引22000余次,H指数92。分子铁电体的创制等代表性成果被《科学》杂志多次专文点评、入选2018年度中国高等学校十大科技进展和《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编(五)》。


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