华中科技大学刘洋团队AFM：揭示应变诱导铁电聚合物纳米复合材料极性界面

摘要：近日，材料期刊《Advanced Functional Materials》在线发表了一项由华中科技大学刘洋教授团队与西安交通大学，上海交通大学, 宾夕法尼亚州立大学和北卡罗莱纳州立大学联合完成的研究成果，题为《Strain-Induced Polar Int

近日，材料期刊《Advanced Functional Materials》在线发表了一项由华中科技大学刘洋教授团队与西安交通大学，上海交通大学, 宾夕法尼亚州立大学和北卡罗莱纳州立大学联合完成的研究成果，题为《Strain-Induced Polar Interfaces in Ferroelectric Polymer Nanocomposites》。该研究通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学模拟（MD）以及相场模拟等方法，首次揭示了有机-无机界面应变对铁电聚合物纳米复合材料极性界面形成的关键作用，为高性能功能铁电聚合物纳米复合材料的设计提供了全新思路。华中科技大学李晨祎博士，北卡罗莱纳州立大学秦汉丞博士和西安交通大学周垚教授为论文共同第一作者，其他主要合作者还包括上海交通大学杨天南副教授、陈昕副教授，宾夕法尼亚州立大学王庆教授和陈龙庆教授，北卡罗莱纳州立大学Jerry Bernholc教授等。该研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划集成项目、国家自然科学基金面上项目、华中科技大学人才引进启动基金等项目的资助。

铁电聚合物纳米复合材料因其优异的介电、电卡和机电性能，在薄膜电容器、电卡制冷器和电致驱动设备等领域具有广泛应用前景。然而，长期以来，聚合物基质与无机填料之间界面极性结构的形成机制尚不明确，制约了材料性能的进一步优化。传统理论模型难以解释界面区域的复杂相互作用，而现有的表征技术也因聚合物的低结晶性和弱衍射特性面临挑战。

鉴于此，该研究团队首次证明界面应变诱导极性界面形成的决定性作用。通过HRTEM（图1）观察到，在聚偏氟乙烯（PVDF）与二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒的界面区域，存在一种由应变诱导的all-trans构象（极性β相）。这种构象与聚合物基体的构象(非极性α相)显著不同，且界面区域的晶格常数表现出各向异性应变。DFT计算表明，PVDF的极性β相与非极性α相的相对能量可通过应变调控（图2）。例如，沿y方向施加-3.7%的压缩应变或沿z方向施加6.4%的拉伸应变，可使两种构象能量简并，从而稳定极性界面。分子动力学模拟结果显示，TiO₂表面通过压缩应变（约-8.9%）可迫使PVDF链形成全反式all-trans构象，与实验观测一致。相场模拟进一步证实应变可显著提高铁电相的体积分数，揭示了应变与铁电性能的强关联性。

极性界面的形成不仅提高了材料的介电常数，还为电卡效应和机电响应提供了额外贡献。界面区域的极化强度高于基体，为设计高能量密度储能材料和高效电卡器件奠定了基础。该研究突破了传统界面设计的局限，提出通过调控有机-无机界面的晶格失配应力场，可实现材料性能的定向优化。在此基础上，后续研究将结合更先进的表征技术和多尺度模拟，进一步探索铁电聚合物与纳米复合材料的构效关系。这项研究为铁电聚合物纳米复合材料领域长期存在科学瓶颈难题提供了新思路，有望促进铁电聚合物纳米复合材料在能源存储、智能传感和绿色制冷等领域实现更为广泛应用。