什么是駐極體？常見的電介質(zhì)是在外電場作用下發(fā)生極化作用，當外電場撤去后，極化現(xiàn)象也隨之消失。而駐極體是一種具有長久電荷的電介質(zhì)，與永磁體類似，人們將這種長期保留電荷的電介質(zhì)叫做駐極體。目前在聲電器件、空氣凈化、電機、高壓發(fā)生器、生物材料等領(lǐng)域均有應(yīng)用。為了長時間捕捉電荷或偶極子，駐極體通常由硬電介質(zhì)構(gòu)成。隨著人機交互和軟機器人的發(fā)展，可伸縮的駐極體應(yīng)用而生，然而像彈性體這樣的可伸縮的電介質(zhì)，存在電荷儲存時間短的問題。因此，對于極柱體而言，電荷儲存時間長和可伸縮這兩種性能是“魚與熊掌”的關(guān)系，很難同時獲得。
【研究成果】
近日，哈佛大學(xué)鎖志剛教授團隊將硬駐極體納米粒子固定在介電彈性體基質(zhì)中，提出一種既能長期儲存電荷又能可伸縮的駐極體的通用方法。在駐極體中彈性體基質(zhì)賦予其可伸縮性，極柱體粒子使其電荷儲存時間更長，解決了可伸縮的彈性體在發(fā)展過程中面臨的難題。相關(guān)內(nèi)容以“Stretchable Electrets: Nanoparticle-Elastomer Composites”為題發(fā)表在Nano Letters。
【圖文速遞】
1.?可伸縮駐極體原理
作者首先闡述了電極和可伸縮極柱體在非接觸狀態(tài)下的力-電轉(zhuǎn)換的工作原理。電極通過電阻接地處理，當復(fù)合駐極體靠近電極時，從地面引出的電荷在電極上產(chǎn)生。當復(fù)合駐極體拉伸時，彈性體和極柱體粒子發(fā)生形變，改變了電極上的感應(yīng)電荷量，并通過電阻器產(chǎn)生電流（1b），因此，復(fù)合駐極體的剛體運動和變形都會在電極上產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)了力-電轉(zhuǎn)換。
可伸縮極柱體可分為兩部分：一是硬駐極體粒子具有長時間帶電，二是介電彈性體的基體具有伸縮性。粒子可以選擇無機物和塑料，介電彈性體的選擇也多種多樣，所以這種方法大大拓寬了可伸縮駐極體材料的選擇。
2.?駐極體的極化特點
研究人員以PDMS為彈性體基質(zhì)，以二氧化硅為納米粒子，探究了復(fù)合極柱體中電荷密度q的影響因素。研究結(jié)果表明，隨著極化電荷場E、極化溫度T的增加，q也隨之增加；隨極化時加熱時間增加，q逐漸增加，當加熱時間足夠長時，q就不再增加；隨二氧化硅粒子數(shù)量增加，q逐漸增加。
3.?極柱體極化后電荷保持能力
電荷密度會隨著二氧化硅納米粒子的數(shù)量而改變，并且可以保持60天。隨著駐極體基質(zhì)PDMS交聯(lián)密度的降低，固定極柱體粒子的能力也逐漸減低，因此荷電保持能力也會有所降低。當駐極體經(jīng)過104次拉伸循環(huán)后，電荷密度仍為初始極化值的85%（3c）。駐極體在生物醫(yī)用領(lǐng)域也具有應(yīng)用前景，研究人員也將其浸泡在PBS溶液中進行了測試。
4.?駐極體的應(yīng)用
和其它駐極體一樣，可伸縮駐極體能夠?qū)崿F(xiàn)接觸和非接觸的力-電轉(zhuǎn)換?？缮炜s駐極體可以通過剛體運動和變形產(chǎn)生電信號，應(yīng)用于伸展運動傳感器（4a,4b）、壓力傳感器（4c，4d）、無觸點拉伸傳感（4e，4f）。
【總結(jié)】
當聚合物基質(zhì)的網(wǎng)格小于顆粒時，或當彈性體粘附在顆粒上時，就可以將硬駐極體粒子固定在介電彈性體基質(zhì)上，從而有效的解決了長壽命和可拉伸之間的沖突。這種方法中多樣的材料選擇可以實現(xiàn)組合的多樣性，這為可伸縮駐極體打開了工程領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的大門。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01434
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