铁电（FE）材料具有电极化与多种其他性质之间的直接耦合关系，使其在传感器、致动器、电热冷却、电容器及能量储存等领域具有广泛应用。与铁电陶瓷相比，聚合物FE材料具有诸多优势，包括良好的柔韧性、易于制备复杂形状、重量和成本更低，以及与生物组织具有更好的声阻抗匹配性能。然而，尽管经过数十年的研究，发现的FE聚合物种类仍十分有限，其中最重要的包括聚偏氟乙烯（PVDF）基含氟聚合物、氢键结合型尼龙以及具有手性近晶碳（SmC*）相的液晶聚合物（LCPs）。其中，只有PVDF基含氟聚合物因其具有明确的居里点和较大的自发极化而具有广泛应用。然而，通过化学修饰调控FE氟聚合物的半结晶结构以实现可调FE性能和高性能正变得日益复杂和昂贵。此外，氟聚合物常被归类为潜在的“永久性化学品”，因其环境持久性而引发环境与健康担忧。因此，设计具有可调铁电性能的无氟铁电聚合物具有重要意义。

基于此，美国凯斯西储大学祝磊教授、Philip L. Taylor教授与宾夕法尼亚州立大学章启明教授、范德比尔特大学Richard F. Haglund教授等人在Science上发表了题为“Fluorine-free strongly dipolar polymers exhibit tunable ferroelectricity”的论文，报道一个合理设计的无氟铁电聚合物家族，其特征是聚氧丙烯主链和带有C3间隔的二磺酰基烷基侧链：−SO₂CH₂CHRCH₂SO₂−（R=−H或−CH₃）。实验和模拟结果都表明，相邻二磺酰基之间的强偶极-偶极相互作用在凝聚态下诱导了铁电有序，这可以通过改变R基团来调整：R=−H为铁电，R=−CH₃为弛豫铁电。在低电场下，弛豫聚合物表现出与最先进的PVDF基四聚物相当的电致驱动和电致热性能。

图1、FE-2SO₂P和RFE-2SO₂P的结构与相变研究 © 2025 AAAS

图2、FE-2SO₂P的铁电性和RFE-2SO₂P的弛豫铁电性质 © 2025 AAAS

图3、FE-2SO₂P和RFE-2SO₂P的分子动力学（MD）拟合 © 2025 AAAS

图4、RFE-2SO₂P的电制动和电热效应（ECE）© 2025 AAAS

综上，本研究展示了一类具有可调铁电性的无氟铁电聚合物。侧链中含有C3间隔基的邻近二磺酰基团之间强烈的偶极-偶极相互作用诱导了极性有序化，形成铁电域。当C3间隔中的甲基支链缺失时，FE-2SO₂P结晶为FE晶体。当C3间隔中引入甲基支链时，晶体堆积被破坏，RFE-2SO₂P在室温下变成弛豫型铁电体和液晶。在50 MV m^-1电压以下，RFE-2SO₂P中实现了显著的电制动和电热效应（ECE）。本研究开发的无氟铁电聚合物将使系统性研究铁电行为的结构依赖性成为可能。此外，它们的环保特性使其在各种应用中有较大前景，包括可穿戴和生物相容性制动器、热管理设备和下一代柔性电子产品。

原文详情：Fluorine-free strongly dipolar polymers exhibit tunable ferroelectricity (Science2025, 389, 69-72.)

本文由赛恩斯供稿。