摘要：近期，美国西北大学Samuel I. Stupp团队提出了一种基于生物启发的策略，设计了一种由六个偏二氟乙烯（VDF）重复单元与四肽共价结合的分子结构。该分子能够自发组装成稳定的β折叠超分子结构。相关成果在Nature期刊上发表了题为「Peptide prog

近期，美国西北大学Samuel I. Stupp团队提出了一种基于生物启发的策略，设计了一种由六个偏二氟乙烯（VDF）重复单元与四肽共价结合的分子结构。该分子能够自发组装成稳定的β折叠超分子结构。相关成果在Nature期刊上发表了题为「Peptide programming of supramolecular vinylidene fluoride ferroelectric phases」的最新论文。

研究背景

随着柔性电子技术和生物兼容材料的发展，有机铁电材料因其轻质、机械柔性和低毒性引起了广泛关注。铁电材料具有自发的宏观极化，并且可以通过外部电场反转，使其在信息存储、能量转换、超低功耗纳米电子学以及生物医学设备等领域具有重要应用潜力。然而，目前的铁电材料，如聚偏二氟乙烯（PVDF）基材料，尽管已经被广泛应用，但存在一些显著的挑战。首先，PVDF的β相铁电结构在热力学上并不稳定，通常需要机械拉伸或与其他单元进行随机共聚才能获得。此外，PVDF基材料的矫顽场较高（约500 kV/cm），这对低功耗电子器件应用构成了限制。为此，科学家们一直在探索如何通过分子设计和纳米结构调控来降低铁电材料的矫顽场，并提高其生物兼容性和热力学稳定性。

研究内容

为了解决这些问题，美国西北大学Samuel I. Stupp团队在Nature期刊上发表了题为「Peptide programming of supramolecular vinylidene fluoride ferroelectric phases」的最新论文。研究者们采用了一种基于生物启发的策略，设计了一种由六个偏二氟乙烯（VDF）重复单元与四肽共价结合的分子结构。该分子能够自发组装成稳定的β折叠超分子结构。

这种结构具有优异的铁电性能，并且其组装体的长轴与VDF六聚体的双稳态极轴平行，能够显著降低矫顽场。相较于传统的PVDF基共聚物，研究发现这种新型超分子组装体的矫顽场降低了两个数量级，同时保持了类似的剩余极化。此外，该系统的居里温度比相似含量的VDF共聚物高出约40 °C，从而进一步增强了其热力学稳定性。

图文解读

(1) 实验首次通过水溶性分子（包含六个VDF重复单元并与四肽共价连接）的合成，得到了热力学稳定的带状铁电超分子组装体。该组装体展现出长轴平行于β折叠氢键方向和VDF六聚体双稳态极轴的结构特性。

(2) 实验通过肽两亲分子的超分子编程引导，成功将VDF低聚物组装成热力学稳定的铁电相，克服了PVDF基聚合物中高矫顽场和不稳定β相的问题。结果表明，与常用的铁电共聚物相比，OVDF-PA组装体的矫顽场降低了两个数量级，剩余极化水平相当，且其居里温度比含有类似VDF含量的共聚物高出约40 °C。

图1 | OVDF-PA组装体的分子结构、形态和超分子结构。

图2 | OVDF-PA组装体的晶体结构。

图3 | OVDF-PA样品的铁电性。

图4 | OVDF-PA超分子组装体的热力学行为。

图5 | OVDF-PA样品相对于主流商业铁电聚合物的铁电性能。

结论展望

本文的研究揭示了通过短肽序列的超分子编程实现热力学稳定的铁电相的可能性，为有机铁电材料的发展提供了新思路。这一发现不仅突破了传统铁电材料依赖无机成分的局限性，还展示了生物启发的策略在材料科学中的应用潜力。具体而言，通过将六个VDF重复单元与四肽结合，形成了具有优异铁电性能的超分子组装体，这一过程展示了生物分子在塑造材料微观结构方面的独特优势。相比于常见的PVDF共聚物，这些生物分子组装体不仅展现出显著降低的矫顽场，还具备相似的剩余极化能力，展示了其在低功耗电子设备和生物医学领域的应用潜力。更重要的是，这种可持续的材料设计方法为开发新一代铁电材料提供了方向，可能推动未来在信息存储、能量转化和生物兼容设备方面的创新。通过深入研究超分子动态和相行为，我们可以期待在有机铁电材料中实现更高效的性能和更多功能，为材料科学与工程开辟新的应用前景。

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来源：Future远见