「JACS」東南大學分子鐵電科研團隊首次提出「鐵電化學」

近期，在「東南大學十大科學與技術問題」啟動培育基金的資助下，東南大學化學化工學院國際分子鐵電科學與應用研究院暨江蘇省「分子鐵電科學與應用」重點實驗室在分子鐵電領域取得重大進展。該科研團隊嘗試從化學的角度來理解鐵電性，經過不懈努力，將鐵電體的發現從盲目的尋找轉變為靶向的化學設計，並首次提出「鐵電化學」的概念。相關研究成果以「Molecular Design Principles for Ferroelectrics: Ferroelectrochemistry」（鐵電體的分子設計原理：鐵電化學）為題，以Perspective（展望）的形式發表於化學領域國際頂級期刊Journal of the American Chemical Society（《美國化學會會志》）。

「鐵電化學」概念的示意圖，旨在通過一些唯象理論針對分子鐵電體進行目標設計和性能優化

鐵電性是指晶體在一定溫度範圍內具有自發極化，且自發極化方向可在外電場作用下反向或重新取向的性質。1920年，Valasek教授在羅息鹽（酒石酸鉀鈉）中發現了鐵電性，開啟了一個領域的紀元。之後，鐵電體的研究主要集中於無機陶瓷領域。伴隨著多種高性能鐵電陶瓷的發現，鐵電性在實驗、理論和實際應用方面都得到了廣泛的研究。但是，經過了一個世紀的發展，研究者們仍然沒有真正地全面了解鐵電性，對鐵電體的尋找和探索一直缺乏可行的理論指導。回望百年，鐵電領域亟待新的、顛覆性的理論與方法的出現。

恰逢鐵電百年誕辰，東南大學化學化工學院熊仁根教授團隊經過20多年的努力探索，從化學的角度出發，深入理解並結合居裡對稱性原理、諾埃曼原理以及朗道唯象理論，創造性地總結並提出了鐵電體的分子設計原理——「準球形理論」、「同手性原理」與「H/F取代策略」。具體而言，準球形理論，是針對晶體對稱性降低的化學設計思想，即通過化學修飾或剪裁高對稱性的陽離子，在分子水平上改變晶體的對稱性和特定的相互作用，來實現鐵電性的設計和調控。揭示鐵電性與同手性之間的聯繫也是分子鐵電學發展的重要一步。手性分子的引入使材料更容易結晶在五個手性的極性點群中，大大增加了誘導鐵電的可能性，並且手性分子的圓偏振光學特性也進一步擴展了分子鐵電材料的潛在應用範圍。此外，H/F取代策略，與H/D同位素效應類似，即F原子的引入通常使得在極性基團保持不變的同時引起輕微的結構破壞，從而顯著提高材料的居裡溫度和自發極化。F原子的引入也會使材料的疏水性和脂溶性等物理性能得到提高，有助於其在生物學及醫學上的潛在應用。

基於上述分子設計原理並加以融會貫通，熊仁根教授團隊系統地設計合成了各種類型的多功能鐵電體，將鐵電體的發現從沙裡淘金般的嘗試與摸索轉變為合理的定向設計與合成，並初步建立起有效的理論體系來設計、控制和優化分子系統中的鐵電性和壓電性，提出「鐵電化學」的概念，旨在從化學的角度來理解鐵電性，為探索高性能分子鐵電體提供有效的方法學指導。「鐵電化學」的誕生，將有望開創一個新的學科體系，推動鐵電及相關領域的發展進入一個新的階段，為材料、物理及化學界帶來嶄新的天地。

東南大學化學化工學院張含悅博士作為論文第一通訊作者在該研究工作中做出了突出的貢獻，東南大學為第一通訊單位和完成單位。