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磁电聚合物-无机纳米复合材料

磁电传感因能够同时感知电场与磁场、耗能极低而被认为是柔性电子的重要方向，但传统单相材料中磁性与铁电性的本征冲突令磁电耦合系数偏低；即便采用无机/聚合物复合，也因界面粗糙、链段摩擦导致应变传递效率差，磁容系数通常难超1%，严重限制了实用化。若想兼具柔韧性与高灵敏度，就必须从原子尺度工程化界面、抑制聚合物内部能量耗散，并在受拉条件下维持稳定的磁-电耦合。

鉴于此，北京航空航天大学刘明杰教授、赵立东教授以及李景准聘教授提出一种“界面共晶”策略：先利用重氮盐化学在单层 VSe₂上接枝对-羧基苯基，实现亚分子级平整的铁磁面；再借纳米限域退湿工艺，使 β-相 PVDF 链在该面上定向结晶，形成高度层状的超晶格膜。得益于界面应变紧耦合，所得复合膜在室温下获得23.6 %的巨磁容系数、d₃₃ = 101.4 pm V⁻¹、g₃₃ = 1 180.6× 10⁻³ V m N⁻¹，并将力学/磁电响应速度提升至 1 ms，实现可穿戴磁电传感及与热电冷却器的集成示范。相关研究成果以题为“Strain-coupled, crystalline polymer-inorganic interfaces for efficient magnetoelectric sensing”发表在最新一期《science》上。

【制膜原理与宏观性能】

与传统颗粒或电场极化的PVDF相比，新膜在β-相含量、d₃₃及g₃₃上全面跃升，磁容/机械指标亦处领先梯队（图1A）。示意图对比了颗粒填充体系中无序α-相、能量耗散大的界面，与本工作层状超晶格中高取向β-相、低损耗耦合的差异（图1B）。作者进一步展示VSe₂经重氮盐改性由起皱转为超平，羧基既抑皱又作为β-相成核点（图1C）。最终，通过超润湿基底上的纳米限域退湿，可制得面积达 25 cm × 25 cm 的柔性膜，兼具工艺简单与规模化潜力（图1D）。

图 1. 坚固磁电薄膜的制备

【结构与取向调控】

透射电镜分辨出1T-VSe₂单层原子排布，面内晶格常数 a = 3.35 Å，厚度≈1.0 nm，证实高质量单层（图2A, 2B）。重氮改性后AFM显示表面亚分子级平整，傅里叶红外与XPS测得羧基覆盖率33.6%，形成稳定Se-C键而不破坏晶格磁性（图2D-2F）。小角散射定量表明，当填充量≤25 wt%时，纳米片在膜中几乎水平排列，取向序参数S = 0.71，层间距随填充增大收缩至3.47 nm（图2G-2I），为后续共晶奠定几何约束。

图 2. VSe2 单层、VSe2 -COOH 单层和 PVDF-VSe 2 -COOH 超晶格的结构表征

【界面共晶与β-相增强】

实时XRD捕捉到溶剂蒸发->VSe₂对齐->PVDF β-相萌生的链式过程；24–34 min内，β(110/200)峰与(001)VSe₂环同步锐化，证明协同结晶（图3A, 3B）。β-相含量随填充升至86.8%，以XRD与FTIR两种方法交叉验证（图3C）。差示扫描与AFM-IR进一步给出Xc = 60.19%，且β-相信号在1273 cm⁻¹处遍布全膜（图3D-3F）。温升FTIR与F 1s XPS共同揭示CF₂---HOOC氢键，蓝移幅度及O-H…F峰(683.9 eV)随填充增强（图3G, 3H）。DFT电势计算亦显示氢键令β-PVDF在VSe₂-COOH上形成-2.31 D界面偶极，稳固且利于电-磁耦合（图3I）。

图 3. PVDF-VSe2 -COOH 超晶格的结晶和界面相互作用的表征

【力-电-磁综合性能】

SS-PFM蝶形与180°相位环证实纳米畴可翻转，线性拟合得d₃₃≈ 101.4 pm V⁻¹，比纯PVDF提升近倍（图4A, 4B）。随着填充，膜的介电常数-温度曲线Curie点升至156.9 °C，说明热稳定性增强（图4C）。d₃₃与g₃₃定位在软体压电材料性能图右上角（图4D）。磁滞回线显示Ms随填充递增，且面内Ms高于面外，符合纳米片取向（图4E, 4F）。同时损耗角tan δ最低值仅0.02，表明共晶界面显著抑制粘弹耗散（图4G）。作者用模型说明：β-相不足时，链段滑移耗能高，应变传递断裂（图4H）；当β-相高度定向，界面平整应变可无损注入极化链，成就强磁电耦合（图4I）。

图 4. 纳米复合材料的铁性

【快速、稳定的可穿戴磁电传感】

开路电压极性翻转法测得响应时间≈1 ms，对应速度提升约10倍于常规柔性力传感器（图5A, 5B）。层叠五层后，在交流磁场0–30 mT下电容变化明显放大，信噪比随层数准线性增长（图5C, 5D）。在23.6 %的磁容系数指标上，本膜已超越此前多种磁电材料（图5E），折算磁电耦合系数α亦处佳值区（图5F）。腕带式传感器可精准读取变压器、振动台、磁力搅拌器等设备磁场，与标准高斯计吻合（图5G）。与热电冷却片集成后，温控使读数标准差由0.05降至0.02，且磁容系数在25–50 °C区间保持稳定（图5H, 5I），为生理-环境双适应奠定基础。

图 5. 磁电传感器的多种应用

【总结】

作者通过“单层VSe₂-界面氢键-β-PVDF”三位一体的共晶超晶格，成功在柔性平台上实现巨磁电效应与毫秒级响应，为下一代可穿戴磁电器件提供高灵敏、低能耗与规模化路线。未来，这种应变耦合框架可与热电冷却、能源收集乃至多模态传感深度整合，构建自供能、环境自适应的微型化智能系统。

【作者简介】

刘明杰， 1982年11月生，无党派代表人士，北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。现任北京航空航天大学化学学院院长。主要从事仿生功能力学高分子复合凝胶材料的研究，并开展了其在可穿戴设备、减振降噪及防污减阻涂层等领域的应用探索。近年来在国际著名学术期刊如Nature, Nature Mater., Nature Rev. Mater., Nature Commun., Angew. Chem. Int.Ed., Adv. Mater.等上发表SCI论文50余篇，SCI总他引1700余次。

赵立东，北航材料科学与工程学院教授，博士生导师。分别在2001和2005年获得辽宁工程技术大学（原阜新矿业学院）金属材料及热处理专业学士和材料学专业硕士学位。2009年获得北京科技大学材料学专业博士学位。2009-2011年，法国巴黎十一大学 (Université Paris-Sud) 奥赛分子化学与材料学院（Institute for Molecular Chemistry and Materials in Orsay）博士后。2011-2014年，美国西北大学 (Northwestern University) 化学系博士后。先后获得了中组部青年人才计划（QQ）、北京市师德先锋、国际热电学会青年科学家、北京市杰青、教育部CJ学者特聘教授、国家杰青、科睿唯安全球高被引学者（2019-2022）、科学探索奖。已在Nature和Science等期刊上发表重要论文270余篇，被引用3万余次，H因子80。

李景，1989年出生于湖北。2016年于中国科学院化学研究所获博士学位，2016-2022年在新加坡国立大学从事博士后研究工作。2021年获国家高层次青年人才（海外）项目资助，2022年4月加入北京航空航天大学化学学院任准聘教授、博士生导师。主要从事低维纳米材料的表界面结构研究，致力于解决低维材料的高质量制备和表面结构的化学调控问题，并开展了其在光电器件、电化学催化等领域的应用探索。基于以上研究工作，近年来在国际著名学术期刊如Nat. Mater., J. Am. Chem. Soc., Chem. Mater., 等杂志发表SCI论文50余篇，多个工作被Phys.org, Nanowerk, News Break., 等知名科技媒体报道。

来源：高分子科学前沿

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