助力“中国牌”晶态材料再攀高峰(4)

北京大学高松院士课题组发展了提升单分子磁体性能的新策略。基于这些新策略，他们通过分子设计与合成，制备了一系列结构多样的稀土金属单离子磁体，有利于产生高能垒。2011年，他们报道的“环戊二烯环辛四烯基铒”，则开辟了金属有机单离子磁体研究的全新领域。

在对称性调控方面，中山大学童明良课题组率先从晶体场理论预测出发，提出创新性的理论预测。同时设计合成了一系列热稳定性很高的单离子磁体，不断刷新能垒和阻塞温度纪录。

2017年前后，童明良课题组与英国学者合作，设计合成并表征了准线性配位的茂镝单分子磁体，再次刷新世界纪录，其有效能垒大于2200K、阻塞温度突破液氮温度达80K，为单分子磁体的实用化奠定了基础。

“2011年以来，在该重大研究计划的支持下，中国学者先后提出金属有机单离子磁体、具有对称性特征的点群分子可以提高能垒和阻塞温度，之后研究进展迅速。”陈小明表示，“中国学者能够多次刷新纪录，说明我们已经站在国际最前沿。”

分子钙钛矿二元固溶体结构图

分子铁电体：压电材料突破应用瓶颈

压电材料，是一种在受挤压或拉伸时可以产生电，或施加电压后能够伸长或缩短的材料，具有广泛应用场景。其中，以钛酸钡（BTO）和锆钛酸铅（PZT）为代表的无机陶瓷铁电体，由于其巨大的压电性能等优势占据了当前应用的主流。

随着基础研究和应用领域对薄膜器件、柔性器件、可穿戴器件的需求逐步升温以及对环境保护的重视，分子基材料具有轻量、柔性、低温制备、易成膜、结构可调性和生物兼容性等优点，是未来实现柔性、可穿戴和医用植入等设备的希望。

目前，分子基材料的压电性能较差是制约其应用的关键。东南大学教授熊仁根向《中国科学报》介绍，自1880年发现压电效应后，还没有一个分子基材料能达到BTO的水平。“这是一个困扰了人们100多年的难题，只有突破这个瓶颈，分子基压电材料才有望被广泛应用。”

在本重大研究计划支持下，科研人员围绕这一问题展开深入研究，取得多项成果。

2013年，研究人员发现首例可与BTO的相变点和饱和极化值相媲美的分子铁电体——二异丙胺溴盐（DIPAB），成为分子铁电体研究的重要里程碑。《科学》特邀评论称：“DIPAB的性能远远胜过其他有机材料，已接近或者说达到了氧化物铁电体的水平。”

针对其压电系数仍然不够理想的问题，他们回到第一个铁电材料“罗息盐”的结构中寻找答案。“我们开展分子铁电体研究近20年来，一直致力于用化学语言来理解它的10个极性点群。”熊仁根介绍。

他们在通过这10个极性点群利用化学语言来修饰四甲基铵的过程中，提出了定向设计分子铁电体的设计策略“似球—非球理论”。基于这一理论，他们合成了一类具有优异压电性能的分子铁电材料“三氯合锰酸三甲基氯甲基铵（TMCM-MnCl3）”和“三氯合镉酸三甲基氯甲基铵（TMCM-CdCl3）”。

这种新型分子铁电材料首次在压电性能上达到了BTO的水平，解决了近百年分子压电材料的世纪难题，研究工作于2017年在《科学》上发表。随后，研究人员通过设计分子铁电材料“三溴合锰酸三甲基溴甲基铵”，进一步证实了“似球—非球理论”。2017年，这些工作获得国家自然科学奖二等奖。