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記者5月9日從蘭州大學(xué)獲悉，該校土木工程與力學(xué)學(xué)院和材料與能源學(xué)院聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在天然生物質(zhì)材料撓曲電效應(yīng)研究中取得重要進(jìn)展，首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了木材這一天然生物質(zhì)材料中存在可觀的撓曲電效應(yīng)，拓展了人們對木材功能屬性的認(rèn)知邊界。相關(guān)成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然·通訊》上。

撓曲電效應(yīng)是指材料在應(yīng)變梯度作用下產(chǎn)生電極化的機(jī)電耦合現(xiàn)象，不受晶體對稱性限制，理論上廣泛存在于各類固體材料中。然而，在木材等宏觀天然生物質(zhì)材料中直接探測這一效應(yīng)并不容易。宏觀樣品在常規(guī)彎曲或壓縮條件下應(yīng)變梯度較小，信號微弱，且木材具有復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)和各向異性，難以準(zhǔn)確辨識本征響應(yīng)。

與傳統(tǒng)撓曲電材料相比，木材來源廣泛、可再生、可降解，其天然多級層級結(jié)構(gòu)、取向細(xì)胞壁和豐富孔道為應(yīng)變梯度調(diào)控和機(jī)電耦合提供了天然基礎(chǔ)?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)以天然木材為對象，通過脫木質(zhì)素與壓縮重構(gòu)策略構(gòu)筑結(jié)構(gòu)木材料，顯著增強(qiáng)彎曲變形過程中的應(yīng)變梯度，結(jié)合系統(tǒng)電學(xué)測試與對照實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)木的本征撓曲電響應(yīng)。

研究表明，結(jié)構(gòu)木的撓曲電系數(shù)高達(dá)36.72nC m?1，這一數(shù)值可與鈦酸鍶SrTiO?、鈮酸納NaNbO?等典型介電陶瓷相當(dāng)，優(yōu)于氧化鋅ZnO、二氧化鈦TiO?、聚偏二氟乙烯PVDF等常見半導(dǎo)體及聚合物體系，顯示出天然生物質(zhì)材料通過結(jié)構(gòu)工程實(shí)現(xiàn)高性能機(jī)電功能化的可行性。

基于優(yōu)異的撓曲電性能，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了木基自驅(qū)動(dòng)柔性傳感器。該器件無需外部電源，可將人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微小形變轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號，實(shí)現(xiàn)對手指、手腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)及肌肉收縮等細(xì)微動(dòng)作的實(shí)時(shí)感知，在可穿戴電子、健康監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。

“這一發(fā)現(xiàn)拓展了人們對木材功能屬性的認(rèn)知邊界，表明天然生物質(zhì)材料通過結(jié)構(gòu)工程實(shí)現(xiàn)高性能機(jī)電功能化是可行的，也為綠色、可持續(xù)柔性電子器件及自驅(qū)動(dòng)傳感器的開發(fā)提供了新的材料體系和技術(shù)支撐?！眻F(tuán)隊(duì)主要成員劉書海教授表示。