随着柔性可穿戴电子、自供能传感器和微型能源采集系统的快速发展，如何将人体运动、振动等环境机械能高效转化为电能，已成为柔性功能材料领域的重要研究方向。目前，以聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物为代表的铁电聚合物，主要依赖极性晶相及偶极取向实现压电响应。然而，大量具有优异力学性能、加工性能和工程应用基础的无定形聚合物，由于缺乏长程有序的极性晶体结构，通常难以获得显著的机械-电能转换能力。那么，一个值得思考的问题是：不依赖传统铁电晶相，能否让普通无定形工程聚合物也产生高性能机电响应？
近日，天津工业大学林童教授团队围绕这一问题提出了一种“结构-静电协同激活（structural–electrostatic activation）”策略。研究团队以典型无定形工程塑料——双酚 A 聚碳酸酯（BPAPC）为研究对象，通过静电纺丝同时诱导分子链取向、构象调控、偶极有序排列和稳定电荷俘获，从而在不形成传统极性晶相的情况下显著激活 BPAPC 的机械电响应。
2026年8月19日，相关研究以 “Structural–Electrostatic Activation of Mechanoelectrical Response in Amorphous Bisphenol-A Polycarbonate via Electrospinning” 为题发表在《Advanced Functional Materials》上。博士生崔林怡为第一作者，王红霞教授和林童教授为通讯作者。
研究团队首先利用静电纺丝技术制备 BPAPC 纳米纤维膜。在静电纺丝过程中，聚合物溶液经历强电场作用下的高速拉伸、快速溶剂挥发以及纳米尺度限域。这一非平衡加工过程不仅改变了材料的宏观形貌，更重要的是，为聚合物分子链的重新排列和电荷注入提供了特殊条件。
SEM 表征显示，BPAPC 可形成串珠状纳米纤维结构，在优化条件下，纤维部分的直径约为 177.5 ± 54.0 nm。值得注意的是，XRD 结果表明，静电纺丝前后的 BPAPC 均保持无定形结构，并没有出现新的极性晶体结构。这意味着：BPAPC 所表现出的显著机械电响应，并不是来源于传统意义上的铁电晶相，而是与静电纺丝诱导的分子结构重构和静电激活密切相关。
图 1. 双酚 A 聚碳酸酯（BPAPC）纳米纤维的制备和材料表征。
为了进一步揭示静电纺丝对 BPAPC 分子结构的影响，研究团队结合 FTIR、Raman 和固体核磁等手段进行了系统分析。结果发现，静电纺丝后 BPAPC 纳米纤维中的 trans–trans（t–t）构象比例由原始粉末的 42.22% 提高至 58.42%。分子模拟进一步表明，相较于其他构象，t–t 构象具有更长的链结构和更高的偶极矩。因此，当静电纺丝诱导更多分子链向 t–t 构象转变，并促进其取向和有序排列时，材料内部能够形成更有利于机械电响应的偶极结构。换言之，静电纺丝在这里并不仅仅是一种“制备纳米纤维”的加工手段，更承担了分子构象调控和偶极结构重塑的作用。这也为无定形 BPAPC 获得显著机电转换能力奠定了重要的结构基础。
结构调控最终能否真正转化为优异的器件性能？研究团队进一步将 BPAPC 纳米纤维膜组装成机械能采集器件，并对其机电转换性能进行了系统测试。对于面积为 2 × 2 cm2、膜厚约 70 μm 的 BPAPC 纳米纤维器件，在 10 N、1 Hz 周期压缩力作用下，其输出性能达到：
峰间开路电压（Voc-pp）：80.8 ± 3.6 V
峰间短路电流（Isc-pp）：96.5 ± 4.1 μA
表观 d33 机电系数：43.5 ± 1.6 pC N?1
最大瞬时功率：561.5 μW
图 2. BPAPC 纳米纤维器件的机电转换性能。
更值得关注的是，在相同测试条件下，BPAPC 纳米纤维表现出比 PVDF 纳米纤维更加优异的机械能转换能力。这一结果突破了“高性能聚合物机电响应必须依赖铁电晶相”的传统思路，说明即使是缺乏长程极性晶体结构的无定形工程聚合物，也有可能通过合理的分子结构调控与静电工程获得优异的机械能转换性能。
那么，既然 BPAPC 并未形成传统铁电晶相，如此显著的机械电响应究竟来自哪里？机制研究表明，BPAPC 纳米纤维的机械电响应并非单一机制作用的结果，而是来源于驻极效应与类压电效应的协同耦合。
一方面：高电场诱导稳定电荷俘获
在静电纺丝过程中，强电场能够促进电荷注入，并使部分电荷被稳定俘获于纳米纤维内部，从而形成明显的驻极结构。当材料受到外界机械刺激时，驻极体系中的电荷状态随材料形变发生变化，进而产生显著的电信号输出。
另一方面：分子结构重排产生类压电行为
静电纺丝过程中伴随的高速拉伸和快速固化，又促进了 BPAPC 分子链取向、构象转变以及偶极有序排列。尤其是具有较高偶极矩的 t–t 构象比例增加，为材料产生类压电响应提供了重要的分子结构基础。
为了进一步区分两种机制的贡献，研究团队开展了电荷消除和重新极化实验。结果表明：驻极效应对整体机械电响应的贡献约为 76.5%，类压电响应约贡献 23.5%。
图 3. BPAPC 纳米纤维驻极效应和类压电效应的区分。
由此可以看出，BPAPC 的高性能机电响应并不能简单归因于某一种“压电结构”，其核心实际上是：静电纺丝同时作用于“分子结构”和“电荷状态”，最终形成结构调控与静电激活协同增强的机械电转换机制。
已有研究表明，聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚酰胺酰亚胺以及氟化聚酰亚胺等无定形聚合物均可表现出压电或类压电机电响应。这类材料通常含有腈基（–CN）、C–Cl键、酰胺、酰亚胺或C–F键等强极性官能团，其机电响应与偶极矩及其有序取向密切相关，并可通过分子结构设计、电场极化和热处理进一步增强。相比之下，BPAPC主要由碳酸酯键、双酚A单元和芳香环构成，整体极性较弱，也不具有传统铁电聚合物典型的稳定极性晶相。因此，其机械电响应难以简单归因于强极性基团或铁电晶相。
该工作的意义不仅在于获得了具有优异机械电响应的BPAPC纳米纤维，更在于提出了一种区别于传统铁电聚合物的材料设计思路。传统聚合物压电材料主要依赖极性晶相的构建与调控，而BPAPC表明，即使缺乏典型铁电晶相，也可通过加工过程诱导分子结构有序重构，进而激活潜在的机电活性。由此，聚合物机电性能不仅取决于其初始晶体结构，还可通过加工诱导的结构有序化与电荷调控得到增强，为无定形聚合物机电材料提供了新的设计路径。
对于BPAPC而言，静电纺丝可能是实现上述结构重构的关键过程。在强电场和高速拉伸作用下，分子链发生取向并促进有利构象形成，使t–t构象比例提高；同时，电场还可促进偶极有序排列以及电荷注入和稳定俘获。上述过程相互耦合，形成稳定的驻极状态，并与类压电响应协同，从而实现较高的机械电输出。因此，其机电响应可概括为分子取向与构象重排→偶极有序化→电荷注入与俘获→驻极效应与类压电响应协同的调控路径。
这一策略也为开发更多无定形工程聚合物的功能潜力提供了新的可能。
总结与展望
该研究提出了一种面向无定形工程聚合物的“结构-静电协同激活”策略。通过静电纺丝过程中的高电场作用、机械拉伸、快速溶剂挥发和纳米尺度限域，BPAPC 内部发生分子链取向增强、构象转变和偶极重新排列；与此同时，高电场诱导电荷注入并实现稳定俘获。两类作用最终协同构建出由驻极效应与类压电效应共同驱动的机械电转换体系。研究结果表明，无定形聚合物缺乏传统铁电晶相，并不意味着其无法实现高性能机械能转换。通过对分子构象、偶极排列和静电荷状态进行协同设计，同样能够显著释放工程聚合物潜在的机电功能。
这一发现拓展了聚合物机械电材料的设计边界，也为未来柔性能源采集、自供能传感器和可穿戴电子器件等领域提供了新的材料设计思路。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77769
