极性固体在液体中所形成的界面电场有助于促进能量存储、化学反应甚至细胞增殖等。如何在固-液界面处实现可控的分子/离子吸附、电荷转移以及所伴随的能量转化一直吸引着科学家的广泛兴趣，相关交叉学科领域的深入认识将对化学合成、催化、生命科学及能量转化与存储产生潜在的重要影响。

铁电材料具有非易失的、电场可控的电极化和表面电荷，有可能在液体环境中提供可翻转的界面电场。因此，对液体环境中表面电荷特性的研究将有助于更好的理解和控制固-液界面结构以及所伴随的能量转化行为，进而实现对界面化学反应的调控。反之，其界面的化学反应能否翻转铁电材料的体极化呢？尽管60多年前人们就提出了铁电极化对表面化学的影响，但其逆过程仍然知之甚少，铁电体与液体界面处的分子吸附/脱附、以及复杂的电荷转移过程阻碍了人们对铁电-液体界面化学结构和能量转化过程的理解。因而，原位界面化学反应实现铁电材料体极化的翻转仍然是一大挑战。

最近，北师大张金星教授课题组与清华大学、中科院物理所、北京理工大学和宾州州立大学合作，历经4年多的努力，深入探索了无铅铁电材料（铁酸铋）与水溶液（普适的化学溶剂和生命之源）的界面物理和化学行为。发现不同铁电极化表面可以有选择性的诱导界面化学反应和离子成键，帮助有效的构建了固-液界面结构。不仅如此，选择性的表面离子键合能够实现巨大的表面离子位移，进而能够带动铁电材料体极化的可逆翻转。

不同于传统的控制方法如电场、机械力等，全水溶液原位可逆翻转铁电极化不需要消耗化石能源，实现了电极化翻转的绿色调控。此工作以中国书法艺术《兰亭序》中的“水“字为例，展示了对铁电极化大面积、低成本的”活字印刷“技术（如图所示）。在铁电材料中，由于铁酸铋具有很大的铁电极化/表面电荷密度、可见光分解水的能力、以及良好的生物相容性等优势，使其与水溶液中分子/离子相互作用的过程可以衍生出新奇而且可控的物理和化学性质，这将有望为未来的化学催化、微纳传感、铁电基低能耗信息存储等提供全新的理念。

此工作近期以“Water printing of ferroelectric polarization”为题发表在《自然-通讯》杂志上（Nature Communication DOI: 10.1038/s41467-018-06369-w）。论文的第一作者是北师大物理系博士生田瑜，通讯作者为张金星。清华大学南策文院士团队，物理所谷林团队、孟胜团队，北京理工大学黄厚兵研究员，及北京师范大学分析测试中心等对此工作提供了巨大的帮助。此工作受到科技部重点研发计划（青年专项）、自然基金委重点项目和面上项目等基金支持。

图：铁电极性表面选择性离子成键，以及伴随的铁电材料体极化在微纳尺度的“活字印刷”

张金星自2012年来到北京师范大学以来，受青年千人计划、基金委优秀青年基金、科技部重点研发计划，以及北京师范大学的大力支持，成立功能氧化物薄膜研究小组。除此工作以外，近5年来还相继带领学生以通讯作者在Nature Nanotechnology doi.org/10.1038/s41565-018-0204-1 (2018)，Nature Communications 7, 10636 (2016)，Nature Communications 4, 2768 (2013)等期刊发表重要研究成果。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-06369-w