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  介電高分子材料廣泛應用于儲能材料與傳感器等領域。介電常數是其中的關鍵參數之一。經典的理論模型能較好地與實驗值吻合，但遠低于理想Parallel Model的預測值，如圖1所示。中國科學院深圳先進技術研究院孫蓉課題組（Energy & Environmental Science, 2017, 10, 137）通過構建三維粒子網絡結構，制備所得的BaTiO₃/Epoxy復合材料的介電常數高達200（BaTiO₃體積分數為30%），遠高于傳統的介電聚合物復合材料，接近于理想模型Parallel Model的預測值。分析認為，緊密連接的BaTiO₃粒子產生連續的偶合效應，在電場下的極化程度遠高于離散粒子的。受其啟發，本工作深化對粒子網絡的構筑以及研究其與介電性能的關系，為制備高介電常數的聚合物復合材料提供新的思路。

圖1 （a）不同理論模型介電常數與粒子體積分數的關系；（b）粒子是離散的；（c）粒子形成網絡。

  研究人員采用粗粒度分子動力學模擬（coarse-grained molecular dynamics simulation）中的珠簧模型（bead–spring model），分別使用Lennard–Jones勢能和FENE勢能來描述珠子之間非鍵合和鍵合作用。通過判斷粒子網絡的形成（如圖2所示），來進一步對其拓撲結構進行研究。

圖2 粒子網絡的形成過程：從（a）到（c），粒子體積分數增加。處于三維網絡結構中的粒子標記為紅色。其他顏色表示該小團簇中的粒子數量。

  納米粒子–聚合物相互作用對粒子在基體中的分散以及粒子網絡的構筑至關重要。傳統的實驗方法是通過粒子表面修飾以提高其分散性。本模擬中通過調節Lennard–Jones勢能公式中的能量參數ε_p-m，得到不同粒子的分散狀態。納米粒子–聚合物相互作用較強時，粒子被聚合物鏈包覆，從而難以連接。調節合適的相互作用，使粒子間直接接觸，同時避免了過度的聚集。因此，在低粒子含量即可形成網絡結構，即逾滲值低。我們單獨考察納米粒子–聚合物相互作用對聚合物鏈松弛與介電譜圖的影響。研究表明，納米粒子–聚合物相互作用越強，粒子含量越高，則聚合物鏈松弛越慢，介電常數和介電損耗曲線往低頻方向移動。

  在納米顆粒表面接枝聚合物鏈是提高粒子在基體聚合物中分散性和材料介電常數的常規方法。過高的接枝密度會導致粒子被聚合物鏈隔開而無法連接。本模擬研究低接枝密度體系，發現增加接枝聚合物鏈長有利于粒子網絡的形成。特別地，若將基體分子鏈直接接枝到粒子表面，則得到非常低的逾滲值。

  將納米粒子選擇性地分布在不相容嵌段共聚物的某一相，可極大地降低逾滲值。粒子富集相含量（α_rich）越低，粒子更容易在有限空間內連接并構成網絡。然而，在低α_rich且高粒子含量的體系中，納米粒子容易遷移到相界面而聚集，形成熱力學非穩定的三相分離體系。

  高介電常數聚合物復合材料可應用于儲能材料和傳感器等領域。然而，目前的聚合物復合材料的介電常數遠低于理想Parallel Model的預測值。本工作首次采用粗粒度分子動力學模擬, 通過設計與優化無機粒子的網絡結構，來提高復合材料的介電常數。傳統的實驗方法，得到粒子分散良好的聚合物復合材料；然而，通常需要添加50 vol.%的粒子才能獲得高介電常數。本工作研究了三種體系，包括粒子/均聚物、表面接枝粒子/均聚物與粒子/嵌段共聚物體系（如圖3所示），提出對應的三種方法以在低粒子含量下構筑粒子網絡結構，為實驗制備低粒子含量、高介電常數的聚合物復合材料提供了新思路與新策略。

圖3 模擬與理想Parallel Model的介電常數的對比。

  以上成果發表在Nano Energy期刊上。論文題目是“Construction of particle network for ultrahigh permittivity of dielectric polymer composite toward energy devices: A molecular dynamics study”。華南師范大學馮炎聰副研究員為文章的第一作者，北京化工大學劉軍教授、華南師范大學周國富教授與李皓副教授為文章的共同通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等資助。所有的計算模擬在廣州超算（NSCC-GZ）上運行。

  論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519306925