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中科院纳米能源所李舟课题组 Nano Energy:界面诱导高压电γ-甘氨酸可降解柔性薄膜
2023-12-30  来源:高分子科技

  将水溶性的压电晶体与柔性高分子进行复合可制备可降解柔性压电复合膜,其方法简易且不需要昂贵设备,在植入式或穿戴式瞬态电子领域展现出广阔的应用前景。然而,压电复合膜表现出的压电系数与晶体本身的压电系数相差甚远。如何保持晶体柔性化制备后的高压电系数有待深入研究且具有重要意义。


  近日,中国科学院北京纳米能源所李舟研究员团队基于最简单的γ-甘氨酸压电晶体和使用共同溶解-干燥法制备了高分子-甘氨酸-高分子三明治结构的柔性压电膜。该工作研究了不同水溶性高分子、不同亲疏水性的成膜界面对甘氨酸晶型、排列、以及复合膜的微结构和压电性的影响。该研究发现使用较强疏水性的PTFE成膜界面,制备的甘氨酸-聚氧化乙烯(PEO)复合薄膜表现出最高的垂直于膜表面方向的d33平均压电系数(大约8.2 pC /N),非常接近于γ-甘氨酸晶体本身的d33压电系数(大约10.4 pC /N)。该工作证明合理的界面诱导调控是保持压电晶体柔性化制备后的高压电系数的关键。相关研究成果以“Interface-induced high piezoelectric γ-glycine-based flexible biodegradable films为题发表于国际知名期刊Nano Energy上。论文的通讯作者是李舟研究员和孟宏宇博士,第一作者是博士研究生于巧白源。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持。


  在该工作中,甘氨酸-高分子复合膜(或甘氨酸-高分子的混合水溶液)与表面皿面存在界面,复合膜中的甘氨酸晶体与水溶性高分子也存在界面。本工作提到的“界面诱导作用”主要指两方面的内容。首先复合膜中的水溶性高分子对甘氨酸晶体有界面诱导作用,主要指具有不同官能团的高分子会对甘氨酸的晶型以及甘氨酸在复合膜中的取向排列有影响。在共同溶解-干燥过程中,PEO、聚乙烯醇、明胶等少数高分子有利于甘氨酸γ晶型的生成,很多高分子有利于甘氨酸其他晶型或混合晶型的生成。在促进γ-甘氨酸生成的三种高分子中,没有侧链基团的PEO更加有助于甘氨酸晶体的 (001) 面与膜的平面接近平行排列或取向,使复合膜获得更高的d33压电系数。 


1水溶性高分子对甘氨酸晶型、排列的界面诱导


  另一方面,制备膜的皿面对复合膜有界面诱导作用,是指皿材料的亲疏水性对溶液中的分子排布有一定的诱导取向作用,尤其指在蒸发干燥末期,皿面的亲疏水性会对下层PEO分子的亲水部分和疏水部分的取向产生诱导。与亲水性玻璃皿面和中性PS皿面相比,具有较强疏水性的PTFE皿面,可诱导底层PEO分子的疏水部分朝下取向和富集,而亲水基团醚键朝上取向,从而使下层PEO的醚键与复合膜中间层甘氨酸的胺基或羧基更有序地产生氢键作用而诱导晶体的排列。另外,不同亲疏水性的皿界面也会对下层高浓度的PEO水溶液在皿面的铺展状态产生影响。PTFE因具有最强的疏水性,导致干燥末期的高浓度PEO水溶液的铺展性减弱,干燥后下层PEO的多孔情况明显,但这导致了下层PEO的微条纹结晶,PEO因结晶带来的下层平整效果有助于中间层γ-甘氨酸的排列。中间层甘氨酸半裸楼后与负电性最强的PTFE之间的静电电场也可能帮助其更好的取向排列。该研究还发现,复合膜上层PEO因高度柔性可对中间层晶体空隙进行填充,使复合膜表现出更好的结构和力学稳定性。 


2不同亲疏水性的制备界面对复合膜的微结构、分子排列的调控


  该工作不仅制备了迄今为止d33压电系数最高的γ-甘氨酸基的柔性复合膜,界面诱导机理也可为更多压电晶体的柔性化制备提供有益指导。


  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109196

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