材料百态

记者5月9日从兰州大学获悉，该校土木工程与力学学院和材料与能源学院联合科研团队在天然生物质材料挠曲电效应研究中取得重要进展，首次从实验上证实了木材这一天然生物质材料中存在可观的挠曲电效应，拓展了人们对木材功能属性的认知边界。相关成果发表在国际权威期刊《自然·通讯》上。

挠曲电效应是指材料在应变梯度作用下产生电极化的机电耦合现象，不受晶体对称性限制，理论上广泛存在于各类固体材料中。然而，在木材等宏观天然生物质材料中直接探测这一效应并不容易。宏观样品在常规弯曲或压缩条件下应变梯度较小，信号微弱，且木材具有复杂多级结构和各向异性，难以准确辨识本征响应。

与传统挠曲电材料相比，木材来源广泛、可再生、可降解，其天然多级层级结构、取向细胞壁和丰富孔道为应变梯度调控和机电耦合提供了天然基础。基于此，研究团队以天然木材为对象，通过脱木质素与压缩重构策略构筑结构木材料，显著增强弯曲变形过程中的应变梯度，结合系统电学测试与对照实验，验证了结构木的本征挠曲电响应。

研究表明，结构木的挠曲电系数高达36.72nC m⁻¹，这一数值可与钛酸锶SrTiO₃、铌酸纳NaNbO₃等典型介电陶瓷相当，优于氧化锌ZnO、二氧化钛TiO₂、聚偏二氟乙烯PVDF等常见半导体及聚合物体系，显示出天然生物质材料通过结构工程实现高性能机电功能化的可行性。

基于优异的挠曲电性能，研究团队进一步构建了木基自驱动柔性传感器。该器件无需外部电源，可将人体运动产生的微小形变转化为可检测的电信号，实现对手指、手腕关节运动及肌肉收缩等细微动作的实时感知，在可穿戴电子、健康监测、人机交互等领域具有潜在应用前景。

“这一发现拓展了人们对木材功能属性的认知边界，表明天然生物质材料通过结构工程实现高性能机电功能化是可行的，也为绿色、可持续柔性电子器件及自驱动传感器的开发提供了新的材料体系和技术支撑。”团队主要成员刘书海教授表示。

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