1. 论文背景：
在生物系统中，将低频和微弱的机械能转化为电能无时无刻地发生着，用于实现信号传导或为其他功能单位提供电能，例如：神经细胞、骨组织，电信号尤其重要，这种耗能极小但又可以有效感知或传递能量的方式十分高效，激发了类似能量转换材料的开发和研究。其相关的压电-介电耦合能量转换，在人造材料和器件中也经常发生，但对其发电特性和机理缺少系统研究。
2. 成果简介：
最近，中国地质大学（北京）材料学院佟望舒副教授（第一兼通讯作者）、安琪教授（通讯作者）以及张以河教授（通讯作者）共同研发了具有压电-介电耦合现象的多孔薄膜，并建立耦合模型，在简易模型中量化发电电压和电能，并通过实验结合仿真模拟验证模型，系统研究压电-介电耦合这一现象，有助于进一步理解相关生物现象，以及激发相关能量转换材料和器件的开发。该工作以“Enhanced Electricity Generation and Tunable Preservation in Porous Polymeric Materials via Coupled Piezoelectric and Dielectric Processes”发表在Advanced Materials。
3. 图文导读：
解析：在压电聚合物中添加导电填料，当低于渗滤阈值时，能够有效地将低频机械能转换为电能，产生的开路电压在力撤去后逐渐降低为0，呈现压电-介电耦合效应。当填料含量增加超过渗透阈值时，导电填料呈现屏蔽效果，无法进行压电-介电耦合。
解析：采用PVDF-HFP为压电基体，碳黑为导电填料，引入多孔结构，通过机械受力产生压电电场诱导材料内部的碳黑，实现碳黑极化，同时通过多孔结构实现了材料受力过程中的结构明显变化，使得发电电压放大和保持时间增长。
解析：形变带来的厚度变化倍数是决定电压增大倍数的关键因素之一，同时孔结构阻断导电通路，降低了极化电荷恢复速度，提升了电压保持时间。在多孔薄膜变形的过程中，当偶极子长度改变时，通过相反极化电荷之间的距离拉长，可以有效提升机械能到电能的转化，进一步提高开路电压值和电能。
解析：团队利用压电-介电耦合薄膜或压电-感应电荷耦合，已将其应用在传感、药物释放、活性分子控释、表面拉曼增强、光催化增强以及发光等领域（Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 2649., Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 7029., Nano Energy 2018, 53, 513., Small 2018, 14, 1802136., Nanoscale 2019, 11, 14372., Nanoscale 2018, 10, 5489.）
4. 小结：
该压电-介电耦合的能量转换在很多复合材料和自然系统中存在，该模型的建立希望有助于理解生物体系中已有的类似现象，同时激发新材料的设计和优化，以适应各种机械类型以及不同频率力的刺激和作用，实现高效的电能转化。
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