近年來，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院熊仁根院士團隊原創(chuàng)性地提出了“鐵電化學(xué)”理論體系，對分子壓電材料的設(shè)計、合成、調(diào)控和機理進行了科學(xué)闡明，帶動相關(guān)領(lǐng)域走出了大海撈針式的盲目探索，進入了化學(xué)設(shè)計、可控合成和精準調(diào)控的新階段，實現(xiàn)了鐵電物理到鐵電化學(xué)的“從0到1”創(chuàng)新。這一項目相關(guān)成果得到了多位中外院士和權(quán)威專家的肯定與好評，稱其為“突破性發(fā)現(xiàn)”，并將壓電材料“拓展到了新的領(lǐng)域”，實現(xiàn)了“引人注目的突破”。近日，該團隊牽頭的“分子壓電體的鐵電化學(xué)設(shè)計”獲得2023年度國家自然科學(xué)獎二等獎。
分子壓電材料具有柔性強、輕量、聲阻抗低等獨特優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于日常生活、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域，是國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)的重要戰(zhàn)略材料之一，未來應(yīng)用將在信息、生命領(lǐng)域產(chǎn)生重大變革。尋找具有優(yōu)異壓電性材料的突破口是鐵電體的設(shè)計。
但自1880年壓電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，分子壓電材料的關(guān)鍵壓電系數(shù)d33一直與占應(yīng)用主流的無機壓電陶瓷相距甚遠。提升分子壓電材料的壓電系數(shù)d33是百年來的重大挑戰(zhàn)，而現(xiàn)有的鐵電物理唯象理論僅對無機材料的壓電性做出了解釋，無法指導(dǎo)高壓電性分子材料的設(shè)計與合成。將分子鐵電壓電材料的發(fā)現(xiàn)從大海撈針式的盲目尋找轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇缘幕瘜W(xué)設(shè)計至關(guān)重要。
上世紀90年代，該研究團隊牽頭人熊仁根就開始從事分子鐵電領(lǐng)域的研究。2006年年底，熊仁根進入東南大學(xué)，成立有序物質(zhì)科學(xué)研究中心，填補了該校在分子鐵電領(lǐng)域研究的空白。由于研究難度大，研究團隊的組建異常困難，實驗室還一度招不到足夠數(shù)量的研究生。但即使在這樣的條件下，熊仁根帶領(lǐng)團隊排除萬難，一步一個腳印地開墾出了分子鐵電研究這片領(lǐng)域。
在熊仁根看來，基礎(chǔ)研究過程必須要有“板凳需坐十年冷”的精神，因為科研上并沒有“彎道超越”。在國家自然科學(xué)基金重大項目、重大研究計劃集成項目、國家重大科研儀器研制項目等重點項目的支持下，熊仁根團隊創(chuàng)立了“鐵電化學(xué)”理論體系，帶動相關(guān)領(lǐng)域從鐵電物理的唯象理論躍遷到了化學(xué)設(shè)計的理論框架體系，進入了化學(xué)設(shè)計、可控合成和精準調(diào)控的新階段。該團隊利用“鐵電化學(xué)”精準合成系列新型分子壓電材料，創(chuàng)制了壓電系數(shù)d33可以媲美商業(yè)化無機壓電陶瓷的多個高性能分子壓電材料，為鐵電材料的研究帶來了新的思路和方向，為分子壓電材料的實際應(yīng)用奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，使我國在分子材料領(lǐng)域走在世界前列。
該項目代表性研究成果發(fā)表在《科學(xué)》等國際頂級期刊上，部分成果入選2018年度“中國高等學(xué)校十大科技進展”，在國內(nèi)外產(chǎn)生了重要影響，引領(lǐng)了國際分子壓電材料領(lǐng)域的發(fā)展。
現(xiàn)階段，雖然新型分子鐵電材料還基本處于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，但是“讓研究走向應(yīng)用”一直是該團隊努力的方向。
“下一步，我們將以應(yīng)用為目標提升分子壓電材料的性能，并開發(fā)更加新穎的功能特性。”熊仁根團隊成員、東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授游雨蒙表示，團隊將繼續(xù)以國家戰(zhàn)略目標為導(dǎo)向，以學(xué)科交叉為特色，為讓我國分子壓電材料持續(xù)引領(lǐng)世界而不斷奮斗。
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