清华大学李琦、何金良《ACS Nano》综述：如何认知介电聚合物纳米复合材料的界面

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介电聚合物广泛应用于电能存储、传输和转换。随着能源需求的不断增加和新能源技术的迅速发展，要求介电聚合物具有更加优异的电学、热学和力学特性。通过向介电聚合物中掺入纳米尺寸的无机颗粒，可以得到具有卓越综合性能的介电聚合物纳米复合材料。目前，大量研究将这类纳米复合材料特异性能的起源归结为基体和颗粒之间的界面效应，因此，界面微区的结构-性能关系已成为该领域的研究热点。然而，不同领域的研究人员对界面问题采取的研究策略、表征方法存在较大差异，得到的研究结论不尽相同，导致对界面的认知程度仍远不能满足新材料的研发需求。

日前，清华大学李琦、何金良等发表综述文章，系统介绍了不同领域针对介电聚合物纳米复合材料中基质/颗粒界面的三类主要研究策略（图1），重点分析了这三类实验策略的独特优势与局限，以及如何联合及合理选择不同研究手段，从而能够更好地认知界面。

图1 界面研究的的三种策略：基于纳米复合材料的体相研究、基于扫描探针显微镜的原位研究和基于模型聚合物的研究

首先，在基于纳米复合材料的体相研究策略中，按照研究界面分子结构、界面分子的动力学过程和电荷输运特性的顺序，介绍了FTIR、XPS、SFG、SAS、TGA、PALS、DSC、NMR、NSE、QENS、BDS、DMA、I-V、TSDC、ISPD、PEA等技术在界面研究中的应用。作为最经典的研究策略，这一策略采用了与实际应用中相似的体相复合电介质进行了表征，测量结果也将受到基体和填料等因素的影响，因此，这类方法的关键是从整体信号中提取界面特性的分析过程。在这一部分的最后，作者总结了这一策略的主要挑战，指出了在基于体相纳米复合材料进行界面研究时，需要仔细辨别材料体相特性的变化与界面区域的关系。

图2基于体相纳米复合物的界面分子动力学过程研究

其次，介绍了基于扫描探针显微镜的原位研究策略。该策略是在暴露界面的样品上利用扫描探针显微镜的高空间分辨率和多功能直接检测界面的结构和性能。按照研究界面分子结构、界面的机械特性、界面的极化和电荷积聚特性的顺序，介绍了NanoIR、Nanoindentation、AM-AFM、BE-AFM、ImAFM、Peakforce QNM、nanoDMA、DC-EFM、AC-EFM、nanoDS、τ mapping、KPFM、open-loop KPFM、PFM、nanoISPD等技术在界面研究中的应用。作为一种正在兴起的研究策略，本部分详细介绍了这一策略中样品的制备方式和具体测试方案。在这一部分的最后，总结了将扫描探针技术应用于界面探测中面临的探测理论可靠性和空间分辨能力问题，指出了在采用这一策略进行界面研究时，应该重点关注样品的形貌、测试环境、信号的来源与扫描探针显微镜对界面的分辨能力等关键问题。

图3基于扫描探针显微镜的界面电荷传输特性研究

第三类策略基于模型聚合物。该策略的基础是认为不同形式的界面具有相似性，因此可以在更简单的界面模型体系中进行界面的实验研究。该策略实际采用的体系一般是具有更稳定和更大比例界面相的特殊样品（例如平板上的纳米薄膜），这将大大简化分析过程。该策略主要根据研究界面化学键、官能团、分子链取向、密度、厚度、结晶相、分子动态过程的具体需求，将成熟的测试技术微调后应用到模型样品中。这一策略是一类已被广泛用于高分子物理领域的界面研究策略，将有助于理解介电聚合物纳米复合材料中的界面问题，作者在该部分最后总结了使用这类策略研究界面时不应忽视的表面效应和尺寸效应等问题。

图4基于一维模型聚合物的界面结构特性研究

 图5三种实验策略的总结与比较

在全文的最后，作者从多个方面总结和比较了上述三类实验策略（图5），并指出它们的优缺点、关键问题以及有待建立的实验方案。此外，文章对现有实验策略的挑战进行了分析，并对未来的界面研究提出了建议。

本文旨在为来自不同领域的界面研究者搭建沟通的桥梁，打破研究的壁垒，从而突破对介电聚合物纳米复合材料中界面的认知，并最终促进在介观甚至微观尺度设计和开发高性能介电聚合物纳米复合材料。成果以“Polymer Nanocomposite Dielectrics: Understanding the Matrix/Particle Interface”为题发表在《ACS Nano》（DOI: 10.1021/acsnano.2c07404）。论文第一作者是清华大学2018级博士生王少杰，通讯作者为清华大学李琦副教授和何金良教授。该工作得到了国家优青项目和创新研究群体项目的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.2c07404

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