甘氨酸与磺酸共结晶实现压电性能从无到有的突破——一种环保型生物压电材料的全新设计

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甘氨酸与磺酸共结晶实现压电性能从无到有的突破——一种环保型生物压电材料的全新设计策略（DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00702）

一、研究背景：生物压电材料的崛起与挑战
压电材料因其能够将机械能转化为电能，广泛应用于传感器、致动器、能量收集器等领域。传统压电材料如石英、氮化铝、氧化锌等多为无机材料，虽性能优异，但存在成本高、制备能耗大、环境不友好等问题。近年来，生物衍生压电材料因其可持续、可降解、生物相容性好等优势，逐渐成为研究热点。
然而，有机分子晶体普遍存在一个关键问题：晶体结构多为中心对称（centrosymmetric），导致其压电响应极弱或完全没有。因此，如何通过分子设计或晶体工程手段，打破中心对称性，成为提升有机材料压电性能的核心挑战。

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二、研究亮点：共结晶策略实现“从无到有”的压电性能
在本研究中，爱尔兰利默里克大学的研究团队提出了一种创新的共结晶策略，成功将两种原本无压电性的分子——甘氨酸（glycine）和磺酸（sulfamic acid）——通过共结晶方式，构建出一种非中心对称的离子型共晶，从而首次赋予其显著的纵向压电响应（d₃₃ ≈ 2 pC/N）。
关键科学突破：

• 原本无压电性：甘氨酸（α型）和磺酸均为中心对称晶体，单独存在时不具备压电性。
• 共晶后具备压电性：2:1 甘氨酸-磺酸共晶形成非中心对称结构，具备10个非零压电张量分量。
• 纵向响应首次实现：该共晶在纵向方向（d₃₃）表现出约 2 pC/N 的压电响应，填补了氨基酸类材料在纵向压电响应方面的空白。
  

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三、研究方法：从理论预测到实验验证的闭环研究
1. 晶体生长与结构解析

• 在水溶液中以2:1摩尔比共结晶甘氨酸与磺酸，形成离子型共晶 [(Gly)₂H]⁺[NH₂SO₃]⁻。
• 单晶X射线衍射（SCXRD）确认其晶体结构为非中心对称的单斜晶系（P7̅c1）。
  

2. 理论计算与性能预测

• 采用**密度泛函理论（DFT）**计算了共晶的弹性、介电和压电性能。
• 预测其纵向压电应变常数 d₃₃ = −2.0 pC/N，并指出该响应主要来源于离子位移而非电子极化。
  

3. 非线性光学验证

• 使用二次谐波产生（SHG）显微镜验证其非中心对称性。
• 测得有效非线性光学系数 deff ≈ 0.57 pm/V，与DFT预测高度一致。
  

4. 压电力显微镜（PFM）测量

• 在铜基底上制备多晶薄膜，通过PFM测得：
  
  • 单晶区域 d₃₃ ≈ 3 pm/V；
  • 多晶薄膜平均响应为 1.6 ± 0.72 pm/V；
  • 宏观压电响应约为 0.2 pC/N，虽有所衰减，但仍具实用性。
    

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四、结构-性能关系：氢键网络驱动非对称性与压电响应
该共晶的压电性能源于其独特的氢键网络结构：

• [(Gly)₂H]⁺阳离子通过三组分电荷辅助氢键形成非对称结构；
• 磺酸阴离子通过NH···O氢键形成链状结构；
• 氢键方向与晶体弹性模量分布密切相关，在弹性模量较低的方向上压电响应更强；
• 这种结构特征使得晶体在受力时偶极矩变化显著，从而产生压电效应。
  

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五、应用前景：低成本、环保、可扩展的功能材料
该研究不仅在科学上实现了“从无到有”的突破，更在应用层面展现出巨大潜力：

• 材料来源广泛、成本低廉：甘氨酸和磺酸均为常见、可再生的化学品；
• 制备工艺简单：可通过溶液蒸发法大规模制备多晶薄膜；
• 环保可持续：全有机组成，生物相容性好，适合可穿戴设备、生物传感器等应用；
• 适配现有器件架构：具备纵向压电响应，可直接集成于传统压电器件中。
  

未来，该策略可推广至其他氨基酸或小分子体系，为绿色电子器件、自供能传感器、边缘计算设备等提供材料基础。

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六、结语：共晶工程开启生物压电材料新纪元
本研究通过共结晶策略，成功将两种无压电性的分子转化为具有实用压电性能的功能材料，首次在氨基酸体系中实现纵向压电响应。这一成果不仅拓展了生物压电材料的性能边界，也为绿色、可持续、低成本的功能材料设计提供了全新范式。
随着晶体工程、计算材料科学与先进表征技术的深度融合，我们有理由相信，生物分子压电材料将在智能传感、能源收集与生物电子学等领域发挥越来越重要的作用。