鐵電（FE）材料具有電極化與多種其他性質之間的直接耦合關系，使其在傳感器、致動器、電熱冷卻、電容器及能量儲存等領域具有廣泛應用。與鐵電陶瓷相比，聚合物FE材料具有諸多優勢，包括良好的柔韌性、易于制備復雜形狀、重量和成本更低，以及與生物組織具有更好的聲阻抗匹配性能。然而，盡管經過數十年的研究，發現的FE聚合物種類仍十分有限，其中最重要的包括聚偏氟乙烯（PVDF）基含氟聚合物、氫鍵結合型尼龍以及具有手性近晶碳（SmC*）相的液晶聚合物（LCPs）。其中，只有PVDF基含氟聚合物因其具有明確的居里點和較大的自發極化而具有廣泛應用。然而，通過化學修飾調控FE氟聚合物的半結晶結構以實現可調FE性能和高性能正變得日益復雜和昂貴。此外，氟聚合物常被歸類為潛在的“永久性化學品”，因其環境持久性而引發環境與健康擔憂。因此，設計具有可調鐵電性能的無氟鐵電聚合物具有重要意義。

基于此，美國凱斯西儲大學祝磊教授、Philip L. Taylor教授與賓夕法尼亞州立大學章啟明教授、范德比爾特大學Richard F. Haglund教授等人在Science上發表了題為“Fluorine-free strongly dipolar polymers exhibit tunable ferroelectricity”的論文，報道一個合理設計的無氟鐵電聚合物家族，其特征是聚氧丙烯主鏈和帶有C3間隔的二磺酰基烷基側鏈：−SO₂CH₂CHRCH₂SO₂−（R=−H或−CH₃）。實驗和模擬結果都表明，相鄰二磺酰基之間的強偶極-偶極相互作用在凝聚態下誘導了鐵電有序，這可以通過改變R基團來調整：R=−H為鐵電，R=−CH₃為弛豫鐵電。在低電場下，弛豫聚合物表現出與最先進的PVDF基四聚物相當的電致驅動和電致熱性能。

圖1、FE-2SO₂P和RFE-2SO₂P的結構與相變研究 © 2025 AAAS

圖2、FE-2SO₂P的鐵電性和RFE-2SO₂P的弛豫鐵電性質 © 2025 AAAS

圖3、FE-2SO₂P和RFE-2SO₂P的分子動力學（MD）擬合 © 2025 AAAS

圖4、RFE-2SO₂P的電制動和電熱效應（ECE）© 2025 AAAS

綜上，本研究展示了一類具有可調鐵電性的無氟鐵電聚合物。側鏈中含有C3間隔基的鄰近二磺酰基團之間強烈的偶極-偶極相互作用誘導了極性有序化，形成鐵電域。當C3間隔中的甲基支鏈缺失時，FE-2SO₂P結晶為FE晶體。當C3間隔中引入甲基支鏈時，晶體堆積被破壞，RFE-2SO₂P在室溫下變成弛豫型鐵電體和液晶。在50 MV m^-1電壓以下，RFE-2SO₂P中實現了顯著的電制動和電熱效應（ECE）。本研究開發的無氟鐵電聚合物將使系統性研究鐵電行為的結構依賴性成為可能。此外，它們的環保特性使其在各種應用中有較大前景，包括可穿戴和生物相容性制動器、熱管理設備和下一代柔性電子產品。

原文詳情：Fluorine-free strongly dipolar polymers exhibit tunable ferroelectricity (Science2025, 389, 69-72.)

本文由賽恩斯供稿。