1. 論文背景：
在生物系統(tǒng)中，將低頻和微弱的機械能轉化為電能無時無刻地發(fā)生著，用于實現(xiàn)信號傳導或為其他功能單位提供電能，例如：神經細胞、骨組織，電信號尤其重要，這種耗能極小但又可以有效感知或傳遞能量的方式十分高效，激發(fā)了類似能量轉換材料的開發(fā)和研究。其相關的壓電-介電耦合能量轉換，在人造材料和器件中也經常發(fā)生，但對其發(fā)電特性和機理缺少系統(tǒng)研究。
2. 成果簡介：
最近，中國地質大學（北京）材料學院佟望舒副教授（第一兼通訊作者）、安琪教授（通訊作者）以及張以河教授（通訊作者）共同研發(fā)了具有壓電-介電耦合現(xiàn)象的多孔薄膜，并建立耦合模型，在簡易模型中量化發(fā)電電壓和電能，并通過實驗結合仿真模擬驗證模型，系統(tǒng)研究壓電-介電耦合這一現(xiàn)象，有助于進一步理解相關生物現(xiàn)象，以及激發(fā)相關能量轉換材料和器件的開發(fā)。該工作以“Enhanced Electricity Generation and Tunable Preservation in Porous Polymeric Materials via Coupled Piezoelectric and Dielectric Processes”發(fā)表在Advanced Materials。
3. 圖文導讀：
解析：在壓電聚合物中添加導電填料，當?shù)陀跐B濾閾值時，能夠有效地將低頻機械能轉換為電能，產生的開路電壓在力撤去后逐漸降低為0，呈現(xiàn)壓電-介電耦合效應。當填料含量增加超過滲透閾值時，導電填料呈現(xiàn)屏蔽效果，無法進行壓電-介電耦合。
解析：采用PVDF-HFP為壓電基體，碳黑為導電填料，引入多孔結構，通過機械受力產生壓電電場誘導材料內部的碳黑，實現(xiàn)碳黑極化，同時通過多孔結構實現(xiàn)了材料受力過程中的結構明顯變化，使得發(fā)電電壓放大和保持時間增長。
解析：形變帶來的厚度變化倍數(shù)是決定電壓增大倍數(shù)的關鍵因素之一，同時孔結構阻斷導電通路，降低了極化電荷恢復速度，提升了電壓保持時間。在多孔薄膜變形的過程中，當偶極子長度改變時，通過相反極化電荷之間的距離拉長，可以有效提升機械能到電能的轉化，進一步提高開路電壓值和電能。
解析：團隊利用壓電-介電耦合薄膜或壓電-感應電荷耦合，已將其應用在傳感、藥物釋放、活性分子控釋、表面拉曼增強、光催化增強以及發(fā)光等領域（Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 2649.,?Adv.?Funct. Mater. 2015, 25, 7029.,?Nano?Energy 2018, 53, 513.,?Small 2018, 14, 1802136.,?Nanoscale?2019, 11, 14372.,?Nanoscale?2018, 10, 5489.）
4. 小結：
該壓電-介電耦合的能量轉換在很多復合材料和自然系統(tǒng)中存在，該模型的建立希望有助于理解生物體系中已有的類似現(xiàn)象，同時激發(fā)新材料的設計和優(yōu)化，以適應各種機械類型以及不同頻率力的刺激和作用，實現(xiàn)高效的電能轉化。
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