極性固體在液體中所形成的界面電場有助于促進能量存儲¹、化學反應²甚至細胞增殖³等。如何在固-液界面處實現可控的分子/離子吸附、電荷轉移以及所伴隨的能量轉化一直吸引著科學家的廣泛興趣⁴，相關交叉學科領域的深入認識將對化學合成、催化、生命科學及能量轉化與存儲產生潛在的重要影響。

鐵電材料具有非易失的、電場可控的電極化和表面電荷，有可能在液體環境中提供可翻轉的界面電場。因此，對液體環境中表面電荷特性的研究將有助于更好的理解和控制固-液界面結構以及所伴隨的能量轉化行為，進而實現對界面化學反應的調控。反之，其界面的化學反應能否翻轉鐵電材料的體極化呢？盡管60多年前人們就提出了鐵電極化對表面化學的影響⁵，但其逆過程仍然知之甚少，鐵電體與液體界面處的分子吸附/脫附、以及復雜的電荷轉移過程阻礙了人們對鐵電-液體界面化學結構和能量轉化過程的理解。因而，原位界面化學反應實現鐵電材料體極化的翻轉仍然是一大挑戰。

最近，北京師范大學張金星小組與清華大學、中科院物理所、北京理工大學和賓州州立大學合作，歷經4年多的努力，深入探索了無鉛鐵電材料（鐵酸鉍）與水溶液（普適的化學溶劑和生命之源）的界面物理和化學行為。發現不同鐵電極化表面可以有選擇性的誘導界面化學反應和離子成鍵，幫助有效的構建了固-液界面結構。不僅如此，選擇性的表面離子鍵合能夠實現巨大的表面離子位移，進而能夠帶動鐵電材料體極化的可逆翻轉。

圖1

水溶液誘導材料體極化翻轉

及其伴隨的表面化學成鍵

圖2

酸溶液誘導材料體極化翻轉

及其伴隨的表面化學成鍵

不同于傳統的控制方法如電場、機械力等，全水溶液原位可逆翻轉鐵電極化不需要消耗化石能源，實現了電極化翻轉的綠色調控。此工作以中國書法藝術《蘭亭序》中的“水“字為例，展示了對鐵電極化大面積、低成本的”活字印刷“技術（如圖3所示）。在鐵電材料中，由于鐵酸鉍具有很大的鐵電極化/表面電荷密度、可見光分解水的能力、以及良好的生物相容性等優勢，使其與水溶液中分子/離子相互作用的過程可以衍生出新奇而且可控的物理和化學性質，這將有望為未來的化學催化、微納傳感、鐵電基低能耗信息存儲等提供全新的理念。

圖3：鐵電極性表面選擇性離子成鍵，以及伴隨的鐵電材料體極化在微納尺度的“活字印刷”

此工作近期以“Water printing of ferroelectric polarization”為題發表在《自然-通訊》雜志上（Nature Communication DOI:10.1038/s41467-018-06369-w）。論文的第一作者是北京師范大學物理系博士生田瑜，通訊作者為張金星。清華大學南策文院士團隊，物理所谷林團隊、孟勝團隊，北京理工大學黃厚兵研究員等對此工作提供了巨大的幫助。此工作受到科技部重點研發計劃（青年專項）、自然基金委重點項目和面上項目等基金支持。

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參考文獻

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2. Kakekhani, A., Ismail-Beigi, S. & Altman, E. I. Ferroelectrics: a pathway to switchable surface chemistry and catalysis. Surf. Sci. 650, 302-316 (2016).

3. Liu, Y. et al. Built‐in electric fields dramatically induce enhancement of osseointegration. Adv. Funct. Mater. 27, 1616-3028 (2017).

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5. Parravano, G. Ferroelectric transitions and heterogenous catalysis. J. Chem. Phys. 20, 342-343 (1952).

來源：知社學術圈