颠覆常规理解的自极化高分子薄膜在《科学》发表

在无需外部电源的情况下，这种薄膜能够自发产生高达24伏的电压，这一科学发现挑战了传统的材料理解。在众多电子设备、传感器和能量转换装置中，保持材料内部电场的恒定性一直是一个重要目标。传统的方法通常依赖于先构建聚合物薄膜，再通过高电场进行极化，过程繁琐且难以在微小结构、大面积或曲面上实现均匀极化。然而，如果聚合物在成膜过程中便能自动令分子极性朝特定方向排列，并牢固保持这种状态，材料的功能制备过程将大为简化。

最近，德国基尔大学的Stefan Schröder博士团队揭示了一种反直觉现象：在进行化学气相沉积（iCVD）制备聚合物薄膜时，即使没有任何外部电场，薄膜也能自发产生稳定的极化电场。这种薄膜的表面电势随着厚度的增加而线性上升，最高可达+24伏，更换引发剂还能改变薄膜电性的极性，变为负极化。研究表明，聚合物单体的永久偶极矩助于实现这种分子取向，而交联结构则保持这种取向，意味着通过单次气相聚合可以直接得到带有电场的功能性聚合物涂层。

整个研究始于成熟的聚合物制膜技术——iCVD。在真空环境中，单体和引发剂以蒸汽形式参与反应。加入引发剂后，其分解产生的自由基使单体沉积并形成聚合物，整个过程不需要溶剂，适合在复杂表面形成均匀的薄膜。研究人员最初意图使聚合物表现出良好的极化特性，却意外发现薄膜刚沉积完成时就显示出显著的电势。 球友会

研究团队进一步使用不同的单体和引发剂进行探究，发现采用EGDMA和TBPO制成的薄膜可在硅片上直接表现出+24伏的稳定电势。这个电势是在聚合物生长过程中自发形成的，不需额外进行后续处理。

研究者们探讨了为何某些聚合物能够自发极化而另一些则不能。通过密度泛函理论(DFT)计算，他们发现具有较大型永久偶极矩的单体能产生明显电势，而偶极矩较小的单体则没有这种表现。研究还发现，基底与单体的相互作用使得初始吸附的分子有了取向，之后的局部电场继续诱导偶极的排列，从而在薄膜不断生长过程中增大电势。同时，如何固定这种偶极取向也非常重要。虽然某些材料的极化在生长后短时间内衰退，但交联聚合物能有效限制分子运动，从而保持电场稳定。

此外，研究人员发现极化的方向可以通过引发剂的变化进行调控，改变引发剂后，薄膜的极性可以显著反转。这一发现表明，仅需选择合适的引发剂，就可以轻松实现聚合物薄膜的极性调节。 球友会