近日，橡塑模具国家工程研究中心团队在全树脂基异质结构复合材料制备和应用方面取得重要进展。研究成果以题为“Mixed-Dimensional All-Organic Polymer Heterostructures with Enhanced Piezoelectricity”发表在国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》，论文的第一作者为橡塑模具国家工程研究中心硕士生连王威，通讯作者为郑州大学陆波副教授、北京航空航天大学潘曹峰教授，郑州大学为第一通讯单位。
研究人员提出一种创新性的表面外延生长驱动的纳米结构自组装（ECA）策略，实现了“力敏型”全有机高分子复合材料可控制备及压电性能强化。不同于传统表面诱导结晶方法，该策略具有“一石二鸟”优势：以尼龙11和聚己内酯为模型材料体系，一方面，通过分子间相互作用降低界面张力和成核自由能，有效诱导外延生长，驱动不同维度高分子结构之间发生自然组装，获得大面积生长的全树脂“类枫杨叶片”异质结构；另一方面，研究还发现，组装过程中酸性分子对尼龙分子链中酰胺碳基氧具有强烈的“质子化效应”，解离尼龙分子间氢键，诱导尼龙分子发生“密集—松散堆砌”构象转变，从而诱导了其内部晶体发生“非极性—极性晶相转变”，通过力敏结构与内部极性晶相的耦合，极大地促进材料在外力作用下变形和极化，从而显著提升了力-电响应性能。同时，界面分子间相互作用在复合体系内部形成了物理交联网络，保证了力学强度和服役稳定性。
该研究工作还首次提出表面晶体有效生长量（Seff）的求解关系式（公式），量化了复合体系表面真实晶体生长量，揭示了复合材料微观结构随前驱体溶液从“稀”（c/c* < 1）到“亚浓”（1< c/c* < 10）到“浓”（c/c* > 10）的演变规律，明确了纳米结构组装和晶相转变背后的分子机理。结合对比实验和数值模拟研究，阐明了纤维表面晶体外延生长对材料压电性能的强化机制。此外，本研究不局限于所用模型材料，还通过实例，将所述策略拓展到其他高分子材料体系，验证了其普适性、有效性。
该研究工作不引入任何无机填料，实现了高力敏、全有机高分子复合材料的可控制备，避免了传统方法在强化性能的同时对复合材料柔韧性的牺牲。研究结果可为高性能柔性全有机聚合物能量和传感器件设计和制造提供新途径。
该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、国家“111引智计划”项目和中国博士后科学基金的资助。
论文信息：Lian, W.; Wang, L.; Wang, J.; Cheng, T.; Dai, K.; Lu, B.; Liu, C.; Pan, C.; Shen, C. Mixed-dimensional all-organic polymer heterostructures with enhanced piezoelectricity, Advanced Functional Materials. 2024, 2404403.
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202404403
