The Innovation Materials | 二维材料新突破：界面共结晶策略引领柔性磁电传感创新

图1 界面共结晶策略制备PVDF-VSe₂-COOH磁电复合材料及其磁电性能（A）复合材料维度架构示意图（B）传统颗粒状磁电复合材料与层状超晶格复合材料对比示意图。区别在于传统复合材料的无序基质（α相）和随机填料分布，而与层状超晶格复合材料中的有序/铁电基质（β相）和形成超晶格的定向填料排列形成对比（C）PVDF-VSe₂-COOH（25 wt%）薄膜的高分辨率横截面透射电子显微镜图像（D）PVDF-VSe₂-COOH（25 wt%）薄膜与其他柔性力传感器的压电响应速度比较，其中响应时间转换为响应速度以直观展示压电效率（E）PVDF-VSe₂-COOH薄膜的磁电耦合系数与其他报道材料的比较

纳米复合材料通过协同不同组分的优势，有效克服了单一材料在性能上的固有局限，因此受到广泛关注。通过在复合材料中加入纳米填料，即使在低填充量下也能实现机械、电学、热学和光学性能的显著提升。这一性能提升的关键在于维度控制——当填料尺寸进入纳米尺度（<100 nm），复合材料会展现出与传统材料截然不同的特性。从0D纳米颗粒到2D纳米片，每种维度都带来独特的性能优势。然而随机分散的纳米填料往往导致界面无序、能量损耗以及结构难以控制等问题，限制其在柔性磁电器件中的应用。在众多纳米填料中，2D-2D层状结构——即二维无机纳米片在层状二维聚合物基体内有序排列——提供了一种最大化界面耦合的策略。这种高度有序的层状排列，能够在相与相之间创造出具有巨大接触面积的亚分子级（甚至原子级）平坦界面，可实现应变、电荷和极化在相间的高效传递，在磁电复合材料领域具有显著优势。然而构建高度有序2D-2D层状结构的磁电复合材料面临关键挑战。例如，如何实现纳米片的定向排列以防止随机堆叠，以及如何建立稳固的界面相互作用。

针对这一难题，该评述重点介绍了二维复合材料领域的重大突破：北航研究团队通过创新的界面共结晶策略，成功构建了具有高度有序二维纳米片排列和强界面相互作用的PVDF-VSe₂-COOH磁电复合薄膜。研究通过将重氮功能化的VSe₂单层（VSe₂-COOH）嵌入聚偏氟乙烯（PVDF）基质中，设计出柔性聚合物-无机复合薄膜。接枝在VSe₂表面的羧基发挥着既能防止纳米片团聚，同时提供强氢键网络（O-H···F）以引导PVDF链形成电活性β相的双重作用。分子动力学模拟表明，这些界面氢键产生的电场引导PVDF链定向排列，并促进其优先结晶为β相。这种界面共结晶策略构建了超平坦的杂化结构，实现了高达 0.71 的取向有序度，从而促进了应变与极化在两相之间的高效传递。

PVDF-VSe₂-COOH磁电复合材料的磁电系数达到23.6%，响应速度突破1毫秒，同时机械性能获得6-8倍的提升，这些性能不仅超越了现有柔性材料，甚至媲美传统刚性陶瓷。这项工作超越了传统的"混合-复合"范式，通过分子级界面工程实现了结构与性能的精准调控，为柔性传感、能量收集等领域的器件创新提供了新的设计思路。