熊仁根，1961年生，東南大學教授、博士生導師，南昌大學國際有序物質科學研究院院長。1982年本科畢業於江西大學（現南昌大學），1987年獲得延邊大學有機化學碩士學位，1994年獲得中國人民解放軍後勤工程學院工學博士學位，同年進入南京大學配位化學研究所博士後流動站工作。1996-1999年，先後在美國波多黎各大學、Brandies大學、波士頓學院開展博士後及訪問學者研究。1998年至2006年任南京大學化學化工學院教授，2006年-至今任東南大學教授，現同時擔任南昌大學教授/國際有序物質科學研究院院長。2023年11月當選中國科學院院士。
熊教授長期從事無機配位化學研究，是國際分子鐵電材料的開拓者。他專注於分子鐵電化合物的設計合成與功能研究，取得了系統性和創新性成果，創立了鐵電化學（Ferroelectrochemistry），即從化學的角度設計分子鐵電體，指導分子鐵電體的化學設計。鐵電化學包括似球-非球、引入單一手性和H/F取代等普適性設計策略，他利用這一方法精準合成了眾多新型分子鐵電體，特別是發現了效能比肩無機陶瓷鐵電體的多個高效能分子鐵電體，該方法也得到國內外同行的成功驗證和廣泛應用。帶動並推動了我國分子鐵電科學研究，引領國際分子鐵電科學的研究與發展方向。以通訊作者在Science（5篇）、PNAS（USA，1篇）、J. Am. Chem. Soc.（52篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（22篇）、Phys. Rev. Lett.（5篇）、Natl. Sci. Rev.（2篇）、Adv. Mater.（14篇）、Nat. Commun.（6篇）、Acc. Chem. Res.（1篇）、Chem. Rev.（1篇）、Chem. Soc. Rev.（5篇）等主流期刊上發表論文110餘篇。論文累計他引22000餘次，H指數92。分子鐵電體的創制等代表性成果被Science多次專文點評、入選2018年度中國高等學校十大科技進展和《國家自然科學基金資助專案優秀成果選編（五）》。2002年獲得國家傑出青年基金資助。2次獲得國家自然科學獎二等獎（排名第一和第二）、3次獲得教育部自然科學獎一等獎（2次排名第一和1次排名第二）。受邀為PNAS（USA）文章編輯，並擔任《國家科學評論》（Natl. Sci. Rev.）等期刊編委。
接下來，我們彙總了熊教授以往的頂刊工作，與大家一起分享。
Science：關於鐵電化學設計的觀點文章
作為人們日常生活中最常見的彈性體，橡膠通常是一類具有較低玻璃化轉變溫度的無定形聚合物。鑑於此，為了實現良好的彈性恢復，聚合物材料應具有較低的結晶度。但鐵電性常見於晶態化合物中，其中長程有序的極性序對於鐵電性的產生至關重要。化學交聯是一種常見的簡單且有效的實現本徵彈性化的方法。然而，傳統的化學交聯可能會嚴重降低聚合物的結晶度，從而衰減鐵電響應。因此，如何在一種材料中同時實現優異的鐵電性和高回彈性是鐵電體發展百年以來的一個重大挑戰。
東南大學熊仁根教授和張含悅介紹評述了同期Science雜誌發表的關於透過化學修飾實現P(VDF-TrFE)鐵電聚合物本徵彈性化的研究工作。該工作提出採用極低交聯密度（1–2%）的化學交聯方法來實現P(VDF-TrFE)塑性聚合物的彈性化。透過使用軟長鏈交聯劑聚乙二醇（PEG）二胺將P(VDF-TrFE)塑性聚合鏈部分交聯（最佳交聯密度為1.44%），形成彈性交聯網路，賦予了P(VDF-TrFE)聚合物鐵電體理想的回彈性，同時還保留了其高結晶度以維持良好的鐵電效能。該文章還指出，結合鐵電化學設計策略中的引入單一手性策略，為未來彈性鐵電材料的化學設計提供了豐富思路。引入單一手性是熊仁根教授提出的鐵電化學理論中設計分子鐵電體的重要原理之一。將手性單體引入聚合物中，或利用手性交聯劑來改性聚合物，單一手性引起的不對稱性可以逐層傳遞到分子結構中，這對於電活性的鐵電聚合物的構築是至關重要的。同時，手性還將賦予鐵電聚合物新的功能特性，如手光性質、催化對映選擇性等。結合近年來鐵電化學領域的研究進展，該觀點文章還展望了彈性鐵電體在生物醫學應用中的重要前景。在未來，彈性鐵電體將會是鐵電器領域的一個重要研究方向。
文獻連結：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.adj2420
Science：壓電性超越鋯鈦酸鉛強的新型分子鈣鈦礦固溶體
壓電材料在受力時會產生電能，是各種感測應用的理想選擇。一般來說，最有效的壓電材料是陶瓷固溶體，其中壓電效應在所謂的形態各向異性相邊界（MPB）處可得到充分最佳化。然而，陶瓷的機械效能較差，這限制了其開發更廣泛的應用場景。
南昌大學熊仁根教授等人根據相似相容原理，發現三氯合鎘酸三甲基氟甲基銨（TMFM-CdCl 3）可以和TMCM-CdCl 3 構築分子鈣鈦礦固溶體(TMFM) x(TMCM) 1-xCdCl 3（0 ≤ x ≤ 1）。在0.25 ≤ x ≤ 0.3時存在MPB（，d 33是單一組分TMCM-CdCl 3（220 pC/N）的五到七倍，超越了經典的無機陶瓷固溶體鋯鈦酸鉛（PZT）。本工作表明：在壓電效能方面，柔性分子壓電材料可以與傳統硬的無機陶瓷壓電材料相媲美，這一顛覆性發現為準同型相界分子壓電材料的理論研究與應用研究提供了廣闊空間。
文獻連結：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.aav3057
Science：無金屬三維鈣鈦礦鐵電體
無機鈣鈦礦鐵電體由於其優異的鐵電性，被廣泛應用於非易失性儲存元件、電容器和感測器。而有機鐵電體因其機械靈活性、低重量、環境友好的加工和低加工溫度而備受青睞。儘管第一種鐵電體Rochelle鹽的發現已經過去了將近一個世紀，但一直沒有出現非常理想的有機鈣鈦礦鐵電體。
東南大學熊仁根教授和遊雨蒙教授等人使用分子設計策略和精心選擇的有機陽離子開發了一個無金屬ABX 3型3D鈣鈦礦鐵電體家族，其通式為A（NH 4）X 3（其中A是二價有機陽離子，X是Cl、Br或I）。作者總共合成了該家族的23個不同成員，具有一系列不同的結構和相變溫度。而在這些A（NH 4）X 3鈣鈦礦中，MDABCO–NH 4I 3（MDABCO是N-甲基-N’-二氮雜雙環[2.2.2]辛烷）具有高達448K的相變溫度（T0）和22μC/cm 2的較大 Ps，與經典的無機鈣鈦礦BTO相當。此外，使用壓電響應力顯微鏡（PFM），作者還發現具有八個極化方向的各種鐵電疇的共存，以及透過施加電場使極化方向靈活旋轉的證據。上述策略證明了高效能無金屬鐵電鈣鈦礦的可行性。
文獻連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aas9330#tab-contributors
Science：新型發電材料：未來可用衣服給手機充電
上到衛星火箭、下到漁船潛水艇，從軍用導彈到醫用B超壓電材料的使用已經深入到了社會的每一個層面中。隨著科技的發展，人們希望各類電氣裝置的尺寸越來越小，這就需要對傳統壓電材料進行更大規模地“壓縮”，甚至成為織物，製成衣服穿戴在身上。然而，這些需求對傳統壓電材料來說，就會出現很多問題。比如壓電陶瓷製作中需要上千度的高溫，在這種溫度下，大多數精密的電子器件與具有柔性的薄膜都無法耐受這種溫度；同時，陶瓷的高硬度在遇到對柔韌性的需求時反而成為缺點；另外不得不提到傳統壓電陶瓷中通常含有潛在的有毒金屬，不利於環境保護並對生物體有可能產生毒性。
東南大學熊仁根教授、遊雨蒙教授、托萊多大學鄢炎發教授和中科院深圳先進技術研究院Jiangyu Li等人突破傳統的合成思路，另闢蹊徑，創新性的從提升鐵電極軸數量入手、利用相變前後對稱性的巨大變化，發現了一類具有優異壓電效能的分子鐵電材料三甲基氯甲基銨三氯錳（II）。這是一種由水溶液處理的有機-無機鈣鈦礦鐵電晶體，具有達到185皮庫侖/牛頓的d 33和高達406開爾文（K）的相變溫度（比BTO高16K）。這種新型分子鐵電材料不但秉承了分子材料的種種優勢，同時首次在壓電效能上達到了傳統壓電陶瓷的水平。雖然研究還僅存在於實驗室內，但隨著新型分子鐵電體的開發和進步，製作出具有實用性的柔性薄膜壓電元件不再是一件難以企及的夢想。
文獻連結：
http://science.sciencemag.org/content/357/6348/306
Science：高溫鐵電分子晶體
鐵電體是一種具有廣泛應用的多功能電活性材料，可透過電場或機械力進行溫度依賴性自發極化轉變，在溫度感測、資料儲存、機械驅動和能量採集等方面具有巨大的應用價值。
在此，東南大學熊仁根教授和華盛頓大學Jiangyu Li等人發現，二異丙基溴化銨（DIPAB）作為一種由水溶液加工而成的分子晶體，其實質上是一種鐵電體，其自發極化率為每平方釐米23微庫侖[接近經典鐵電體鈦酸鋇（BTO）]，居里溫度高達426開爾文（高於BTO），同時其介電常數大、介電損耗低。DIPAB表現出良好的壓電響應和明確的鐵電疇。這些特性使其在感測、驅動、資料儲存、電光以及分子或柔性電子領域有望成為鈣鈦礦鐵電體和鐵電聚合物的分子替代品。
文獻連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1229675
JACS：電耦合係數k33媲美無機壓電陶瓷鈦酸鋇的分子鐵電體
與廣泛使用的無機鐵電體相比，具有顯著壓電響應的分子鐵電體因其重量輕、機械柔性和易於製備的優點而被認為是更加理想的材料選擇。2017年，熊仁根團隊就發現了一例高壓電性分子鐵電體三氯合鎘酸三甲基氯甲基胺（TMCM-CdCl 3），其壓電係數d 33達到了220 pC/N，與無機陶瓷鈦酸鋇（BTO）相當。然而，當時由於晶體尺寸較小，該材料的機電耦合係數k 33一直難以準確表徵。機電耦合係數反映了機械能與電能相互轉換的效率，對壓電材料的實際應用至關重要。已報導的分子鐵電體的k 33一直遠低於無機陶瓷BTO（0.5）和鋯鈦酸鉛（0.54~0.75），大大限制了它們的應用。
為精確測定分子鐵電體的機電耦合係數，需要對單晶進行定向切割出特定的形狀，因此首先要獲得大尺寸的分子鐵電單晶。有鑑於此，南昌大學熊仁根教授和東南大學遊雨蒙教授設計開發儀器裝置來生長大塊分子鐵電晶體。透過反覆試驗和改進，最終摸清了透過溶液降溫法生長TMCM-CdCl 3大單晶的條件引數，並進一步生長出了英寸級大小的TMCM-CdCl 3分子鐵電單晶，三維尺寸達到36 × 30 × 19 mm 3。基於這一材料，作者對TMCM-CdCl 3晶體進行定向和切割，得到符合測試標準的晶柱和晶片，並利用動態諧振法測定了它們的機電耦合係數。經過測算，其k 33達到了0.483，遠大於經典的分子壓電體硫酸三甘氨酸（TGS, k 33~0.11）和壓電聚合物聚偏氟乙烯（PVDF, k 33~0.2），甚至接近於無機壓電陶瓷BTO（k 33~0.5）。不僅如此，高質量的大塊單晶使得壓電係數d 33進一步提高到383 pC/N，超越了此前報道的數值。此外，TMCM-CdCl 3在其他振動模式下同樣具有高的機電耦合係數k 31和k 15 (0.624和0.423)，壓電係數d 31和d 15（176和667 pC/N）也超越以往。這一工作展現出分子鐵電體TMCM-CdCl 3高的機電耦合係數，這賦予其在柔性、便攜和可穿戴壓電器件巨大的應用前景。同時，本工作對進一步探索高機電耦合係數分子鐵電材料具有積極的推動作用。
文獻連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c11213
Angew：首例含鉻(Ⅱ)的二維有機-無機雜化鈣鈦礦多鐵材料
多鐵鈣鈦礦是一種重要的電子材料，應用領域十分廣泛，包括非易失性儲存器、超聲波探測器、壓電感測器和二階非線性開關等。以往的研究表明，二維含鉻(Ⅱ)的鹵化物雜化鈣鈦礦是很好的鐵磁材料，其部分填充d4軌道電子能產生較大磁矩，有利於鐵磁性的產生。但是二維含鉻(Ⅱ)的鹵化物雜化鈣鈦礦多鐵效能的研究尚未報道，其晶體結構對鐵電、鐵磁等效能的作用機制有待於深入地探索。
因此，南昌大學熊仁根教授、艾勇教授和北京大學王哲明教授等人選用3，3-二氟環丁胺與氯化亞鉻合成了二維有機-無機雜化鈣鈦礦多鐵材料，即[DFCBA] 2CrCl 4。這一材料在高達387 K的溫度下經歷4/mmmFm型鐵電相變 ，並顯示出飽和極化為2.1μC cm −2的多軸鐵電性 。研究還發現，該材料是一種居里溫度為32.6 K的軟鐵磁體。這項工作為探索鐵電性和鐵磁性共存的有機無機雜化鈣鈦礦在未來多功能智慧裝置中的應用提供了線索。
文獻連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202206034
JACS：發現富勒烯加合物C60S8分子鐵電體
富勒烯是一種由碳原子組成的球狀分子，擁有獨特的結構和物理、化學性質，備受材料科學和奈米技術界的關注。鐵電體是一類極化方向在外電場下可重取向的電偶極活性材料，和人們熟知的鐵元素沒有關係。研究富勒烯的鐵電性質對於拓展其在電子器件和儲存技術等領域的應用非常重要。在以往的研究中，研究人員透過計算預測了金屬內嵌富勒烯的鐵電性，也有學者報道了富勒烯Gd@C82 單分子駐極體呈現出類似鐵電性的極化翻轉特性。然而，富勒烯的鐵電性質目前仍未得到充分研究和應用，主要原因是富勒烯分子的高對稱性。
根據Philip Anderson的“多則異”理念，南昌大學熊仁根教授和廖偉強教授等人設計、合成了富勒烯加合物C 60S 8，利用富勒烯C 60與S 8分子的範德華相互作用，為偶極取向操縱提供了機會。儘管C 60與S 8分子各自具有較高的分子對稱性（I h和D 4d），它們的組合導致了低對稱性加合物C60S8結晶在C 2V（mm2）點群。研究表明，C 60與S 8的分子間相互作用導致了微小的結構扭曲和晶格重疊，從而引起晶體的極性。C 60S 8在230 K經歷了從極性到極性的相變，屬於mm2Fm（C 2vP↔FC s）型鐵電相變，電滯回線測試和鐵電疇翻轉進一步證實了它的鐵電性質。這項研究工作是“鐵電化學”思想指導化學設計分子鐵電體的又一成功例子，不僅激發了設計鐵電富勒烯和其他新型分子鐵電材料的靈感，還為“多則異”的分子設計理念的發展增添了新的元素。
文獻連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08419
JACS：首個二芳乙烯基鐵電晶體可實現無接觸的“寫−讀取−擦除”資料儲存
偏振的光學操作已經獲得了廣泛的關注，因為它為新的非接觸式儲存器和開關提供了一條很有前途的途徑。然而，目前的研究主要集中在資料儲存的光電控制上，而不是資料讀取，無法實現非接觸式寫-讀-擦除資料儲存的全過程。
在此，南昌大學熊仁根教授和湯淵源教授等人發現了一對對映體二芳乙烯基鐵電晶體，可以成功實現“寫−讀取−擦除”資料儲存的完全非接觸操作。在可見光下，這一鐵電體處於開環狀態表現出雙疇態，晶體顏色是白色的，帶隙為3.26 eV；而在254/365nm波長的光照後，它們就會變成閉環狀態表現出單疇態，晶體顏色是深藍色的，帶隙為1.68 eV。除了用光來書寫和擦除鐵電疇外，作者還可以用光來讀取它們的顏色來確定疇的極化狀態。初始狀態和紫外光照射後的紫外光譜證實了二芳乙烯基鐵電晶體經歷了光誘導相變。電滯回線及鐵電疇翻轉證實了二芳乙烯基鐵電晶體的鐵電性。這項工作不僅發現了第一個二芳乙烯基鐵電晶體，而且成功地實現了在有機鐵電半導體中對“寫−讀取−擦除”資料儲存的完全非接觸操作，為光刺激鐵電器件提供了很有前途的候選材料。
文獻連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c01069
JACS：分子鐵電體中首次實現光控極化翻轉
偏振切換的光學控制引起了人們的極大興趣，因為光輻照是一種超越電場或應變場的無損、非接觸和遠端控制手段。目前的研究主要利用各種光激發電子效應來實現光控制偏振，如光碟機動柔性電效應和光伏效應。然而，自1867年發現光致變色以來，由光異構化引起的結構相變還從未與鐵電性聯絡在一起。
南昌大學熊仁根教授和湯淵源教授成功地合成了一種具有極性空間基團Pna2 1，3，4，5-三氟-N-（3，5-二叔丁基亞水楊基）苯胺的有機光致變色鐵電體，其顏色可以透過鐳射照射在黃色和橙色之間進行變化。它的介電常數和自發極化可以透過烯醇型和反式酮型之間的結構光異構化觸發的光誘導相變進行可逆切換。據作者介紹，這是第一個透過光異構化引發的結構相變實現極化切換的光開關鐵電晶體。這一發現為未來智慧材料的光控制和生物力學應用鋪平了道路。
文獻連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06108
來源：高分子科學前沿
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