近期，在“東南大學(xué)十大科學(xué)與技術(shù)問題”啟動(dòng)培育基金的資助下，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院國(guó)際分子鐵電科學(xué)與應(yīng)用研究院暨江蘇省“分子鐵電科學(xué)與應(yīng)用”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在分子鐵電領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。該科研團(tuán)隊(duì)嘗試從化學(xué)的角度來理解鐵電性，經(jīng)過不懈努力，將鐵電體的發(fā)現(xiàn)從盲目的尋找轉(zhuǎn)變?yōu)榘邢虻幕瘜W(xué)設(shè)計(jì)，并首次提出“鐵電化學(xué)”的概念。相關(guān)研究成果以“Molecular Design Principles for Ferroelectrics: Ferroelectrochemistry”（鐵電體的分子設(shè)計(jì)原理：鐵電化學(xué)）為題，以Perspective（展望）的形式發(fā)表于化學(xué)領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊Journal of the American Chemical Society（《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)志》）。

“鐵電化學(xué)”概念的示意圖，旨在通過一些唯象理論針對(duì)分子鐵電體進(jìn)行目標(biāo)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化。

鐵電性是指晶體在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向可在外電場(chǎng)作用下反向或重新取向的性質(zhì)。1920年，Valasek教授在羅息鹽（酒石酸鉀鈉）中發(fā)現(xiàn)了鐵電性，開啟了一個(gè)領(lǐng)域的紀(jì)元。之后，鐵電體的研究主要集中于無機(jī)陶瓷領(lǐng)域。伴隨著多種高性能鐵電陶瓷的發(fā)現(xiàn)，鐵電性在實(shí)驗(yàn)、理論和實(shí)際應(yīng)用方面都得到了廣泛的研究。但是，經(jīng)過了一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，研究者們?nèi)匀粵]有真正地全面了解鐵電性，對(duì)鐵電體的尋找和探索一直缺乏可行的理論指導(dǎo)?；赝倌辏F電領(lǐng)域亟待新的、顛覆性的理論與方法的出現(xiàn)。

恰逢鐵電百年誕辰，東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院熊仁根教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過20多年的努力探索，從化學(xué)的角度出發(fā)，深入理解并結(jié)合居里對(duì)稱性原理、諾埃曼原理以及朗道唯象理論，創(chuàng)造性地總結(jié)并提出了鐵電體的分子設(shè)計(jì)原理——“準(zhǔn)球形理論”、“同手性原理”與“H/F取代策略”。具體而言，準(zhǔn)球形理論，是針對(duì)晶體對(duì)稱性降低的化學(xué)設(shè)計(jì)思想，即通過化學(xué)修飾或剪裁高對(duì)稱性的陽離子，在分子水平上改變晶體的對(duì)稱性和特定的相互作用，來實(shí)現(xiàn)鐵電性的設(shè)計(jì)和調(diào)控。揭示鐵電性與同手性之間的聯(lián)系也是分子鐵電學(xué)發(fā)展的重要一步。手性分子的引入使材料更容易結(jié)晶在五個(gè)手性的極性點(diǎn)群中，大大增加了誘導(dǎo)鐵電的可能性，并且手性分子的圓偏振光學(xué)特性也進(jìn)一步擴(kuò)展了分子鐵電材料的潛在應(yīng)用范圍。此外，H/F取代策略，與H/D同位素效應(yīng)類似，即F原子的引入通常使得在極性基團(tuán)保持不變的同時(shí)引起輕微的結(jié)構(gòu)破壞，從而顯著提高材料的居里溫度和自發(fā)極化。F原子的引入也會(huì)使材料的疏水性和脂溶性等物理性能得到提高，有助于其在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)上的潛在應(yīng)用。

基于上述分子設(shè)計(jì)原理并加以融會(huì)貫通，熊仁根教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)合成了各種類型的多功能鐵電體，將鐵電體的發(fā)現(xiàn)從沙里淘金般的嘗試與摸索轉(zhuǎn)變?yōu)楹侠淼亩ㄏ蛟O(shè)計(jì)與合成，并初步建立起有效的理論體系來設(shè)計(jì)、控制和優(yōu)化分子系統(tǒng)中的鐵電性和壓電性，提出“鐵電化學(xué)”的概念，旨在從化學(xué)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(xué)指導(dǎo)?！拌F電化學(xué)”的誕生，將有望開創(chuàng)一個(gè)新的學(xué)科體系，推動(dòng)鐵電及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段，為材料、物理及化學(xué)界帶來嶄新的天地。

東南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)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(xiàn)，東南大學(xué)為第一通訊單位和完成單位。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c07055