新材料“革命性发现”：为压电材料装上“恒温舱”后性能提升�倍

\u003cdiv class=\"rich_media_content\"\u003e\u003cp\u003e“这项研究的深层意义在于它是一场 ‘\u003c!--VERTICAL_CARD_BEGIN_0--\u003e范式革命\u003c!--VERTICAL_CARD_END_0--\u003e’：旧范式是竭力优化材料本身，追求其在舒适区（如室温）的固定高性能，新范式则是通过外部调控系统（温度、电场）实时将材料动态锁定在最佳工作状态。”日前，在谈及团队刚刚取得的关键性突破时，甬江实验室智能材料研究中心主任、上席研究员任晓兵告诉澎湃科技（www.thepaper.cn）。\u003c!--MID_AD_0--\u003e\u003c!--EOP_0--\u003e\u003c/p\u003e\u003c!--PARAGRAPH_0--\u003e\u003cp\u003e当地时񝮉�日，国际顶级期刊《Science》以“First Release”形式在线发表了任晓兵团队的突破性成果：他们将一类经典的多晶压电陶瓷核心性能指标——\u003c!--VERTICAL_CARD_BEGIN_1--\u003e压电系数\u003c!--VERTICAL_CARD_END_1--\u003e大幅提升�倍，创制出“\u003c!--VERTICAL_CARD_BEGIN_2--\u003e超级压电陶瓷\u003c!--VERTICAL_CARD_END_2--\u003e”；并开创了主动压电器件新范式，让材料稳定工作在“\u003c!--VERTICAL_CARD_BEGIN_3--\u003e性能珠峰\u003c!--VERTICAL_CARD_END_3--\u003e”。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e这项突破意味着，\u003cstrong\u003e一些曾被视作科幻的应用场景将能在材料层面获得关键支撑，在可见的未来可能会变得触手可及：新一代B超或可精准捕捉曾经看不见的癌变细胞、昆虫大小的微型仿生机器人可能实现自主飞行、人形机器人的手指能够拥有真实的触觉反馈。\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e该项研究被审稿人誉为“革命性发现”，有望重塑高端传感、精密驱动与智能交互等方向的技术格局。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c!--IMG_0--\u003e\u003c/p\u003e\u003cp class=\"image_desc\"\u003e原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e“\u003c!--VERTICAL_CARD_BEGIN_4--\u003e死亡温度\u003c!--VERTICAL_CARD_END_4--\u003e”或是“性能奇点”？\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c!--AIPOS_0--\u003e压电材料是一类在机械应力作用下会产生电荷、在外加电场作用下会发生形变的功能材料。通俗来理解，类似一种“力电双向转换器”。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e任晓兵说，压电材料是智能时代核心基础材料。从手机指纹识别到医疗领域的\u003c!--SECURE_LINK_BEGIN_0--\u003eB超\u003c!--SECURE_LINK_END_0--\u003e成像、工业领域的\u003c!--SECURE_LINK_BEGIN_1--\u003e光刻机\u003c!--SECURE_LINK_END_1--\u003e纳米级定位，再到军事领域的潜艇声呐探测，都需要压电材料的力电信号转换作用。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e衡量压电材料性能的核心指标是压电系数（d33），它是压电材料最核心的“性能心脏”，数值越高，意味着材料越敏感、能耗越低、驱动效率越高，能量转换损失越小。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e在压电材料的发展历程中，第一次性能跃升发生�世�年代左右，彼时锆钛酸铅（PZT）多晶陶瓷问世，作为此后最常用的压电材料，其性能始终定格�-600 pC/N区间，数十年未有根本性突破。20世�年代，高端压电单晶出现，性能可� pC/N量级，但造价堪比黄金，且稳定性差、极其脆弱，难以大规模应用。\u003c!--MID_AD_1--\u003e\u003c!--EOP_1--\u003e\u003c/p\u003e\u003c!--PARAGRAPH_1--\u003e\u003cp\u003e“此次‘超级压电陶瓷’的出现，是压电材料性能的第二次跃升。”任晓兵介绍，他们团队研制的基于廉价多晶锆钛酸铅、采用“\u003c!--VERTICAL_CARD_BEGIN_5--\u003e主动工作模式\u003c!--VERTICAL_CARD_END_5--\u003e”的压电陶瓷，压电系数最高达到 6850 pC/N，这一数值不仅是传统压电陶瓷的 10�倍，也超越了所有已知的顶级单晶材料。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e怎么理解任晓兵团队提出的“主动工作模式”？\u003c/p\u003e\u003cp\u003e传统压电行业中，存在一个必须回避的“相变临界点”，即压电材料的居里温度（Tc），一旦接近临界点，内部电偶极子的排列会被热扰动迅速打乱，压电性能几乎完全消失且难以恢复，这被称为传统压电材料的“死亡温度”。\u003c!--AI_MID_AD_0--\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e为了保证压电材料长期稳定运行，过�年的工程设计全部采用被动工作模式（Passive mode）：材料在制造阶段通过强电场极化一次后，器件运行中不再主动调控温度或电场，材料性能会随温度变化而波动甚至衰减，因此必须限制材料工作温度远离Tc。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e2009年，任晓兵在国际物理期刊 Physical Review Letters 上提出前瞻理论：\u003cstrong\u003e在压电材料的相图多相交汇处，存在一个 “\u003c!--VERTICAL_CARD_BEGIN_6--\u003e三临界点\u003c!--VERTICAL_CARD_END_6--\u003e”（tricritical point），即“热力学奇点”。在\u003c/strong\u003e这个位置上，各相间能量壁垒消失，材料对外和电场的响应理论上趋于无穷，相当于压电性能的 “珠穆朗玛峰”。\u003c!--MID_AD_2--\u003e\u003c!--EOP_2--\u003e\u003c/p\u003e\u003c!--PARAGRAPH_2--\u003e\u003cp\u003e“（我们）通过很多同学的努力，在实验里所有的结果都在告诉我们，性能‘珠峰’可能存在。但按传统的被动模式往上走，在到达‘珠峰’热力学奇点之前，性能都会掉下来。”任晓兵回忆说。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cspan data-widget=\"image\" style=\"display: inline-block; max-width: 100%; width: 1080px\"\u003e\u003c!--IMG_1--\u003e\u003cspan style=\"color: rgb(153, 153, 153); display: block; font-size: 12px; line-height: 18px; overflow-wrap: break-word; text-align: center\"\u003e\u003c!--NO_READ_BEGIN--\u003e任晓兵（左），甬江实验室提供。\u003c!--NO_READ_END--\u003e\u003c/span\u003e\u003c/span\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e大胆逆向思考\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c!--AIPOS_1--\u003e面对“一近巅峰就失效”的难题，任晓兵团队做出了大胆的逆向思考：能否有一种方法，让材料能在传统的“死亡温度”下“维持生命”并高效工作？\u003c/p\u003e\u003cp\u003e转折点�年。那一年，任晓兵教授提出了“主动工作模式”（active-mode）新型压电控制技术的思想雏形。此后，团队在样品与设备等多个环节继续进行大量尝试与优化，最终将压电系数推� pC/N以上。“当性能达� pC/N时，我们挺激动的，只有跨过这一数值，才能更有把握地说实现了‘一个数量级’的突破。”任晓兵团队研究员郝彦双说。\u003c!--MID_AD_3--\u003e\u003c!--EOP_3--\u003e\u003c/p\u003e\u003c!--PARAGRAPH_3--\u003e\u003cp\u003e“主动工作模式”需要内置“智能温控”，通过集成微区热管理，将压电材料温度精确稳定在理论奇点上；同时实时“压电生命维护”，施加一个微小的\u003c!--VERTICAL_CARD_BEGIN_7--\u003e偏置电场\u003c!--VERTICAL_CARD_END_7--\u003e（� V/mm），持续引导材料内部亿万电偶极子一致排列，抵消热扰动的破坏，将材料动态“锁定”在热力学奇点这个性能“珠峰”上，即便在室温�℃的超宽温度范围内，也能保持d33 \u0026gt; 6000 pC/N的稳定输出。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c!--IMG_2--\u003e\u003c/p\u003e\u003cp class=\"image_desc\"\u003e主动工作模式压电调控技术原理框图，及该模式下QP陶瓷的压电系数在室温�°C的超宽环境温度内保持稳定。主动工作模式包含控温模块与偏压模块，可类比为攀登珠峰所需的保温服和氧气瓶。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e任晓兵说这项研究的深层意义在于一场 “范式革命”：旧范式是竭力优化材料本身，追求其在舒适区（如室温）的固定高性能，新范式则是通过外部调控系统（温度、电场）实时将材料动态“锁定”在最佳工作状态。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003cstrong\u003e两类全新应用\u003c/strong\u003e\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c!--AIPOS_2--\u003e任晓兵表示，超级压电陶瓷的产业化路径已清晰可见。主动工作模式（active-mode）的原理已在实验中得到验证，后续将通过工程团队推动器件尺寸、结构与集成方式优化，以适配更广泛的应用需求。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e任晓兵将未来的产业应用路径概括为两类：一类是对既有应用场景升级，比如光刻机的纳米级定位精度将提升一个数量级，在机器人领域，触觉反馈的灵敏度也将显著增强。此外，超声成像等既有技术也可能因此获得显著提升，任晓兵称，现有B超画面对部分更早期、更精细的癌细胞等识别能力有限；若材料与器件性能出现数量级提升，相关成像分辨能力和细节呈现有望进一步改善。\u003c!--MID_AD_4--\u003e\u003c!--EOP_4--\u003e\u003c/p\u003e\u003c!--PARAGRAPH_4--\u003e\u003cp\u003e另一类，将催生此前难以实现的全新应用。任晓兵以昆虫飞行器为例指出，当前压电陶瓷要驱动昆虫飞行器往往需要上百伏电压，这意味着必须外接体积较大的高压电源，难以实现真正的自主飞行。如果压电性能提升�倍，小型化、便携化的自主飞行将成为可能。\u003c/p\u003e\u003cp\u003e\u003c/p\u003e\u003cdiv powered-by=\"qqnews_ex-editor\"\u003e\u003c/div\u003e\u003cstyle\u003e.rich_media_content{--news-tabel-th-night-color: #444444;--news-font-day-color: #333;--news-font-night-color: #d9d9d9;--news-bottom-distance: 22px}.rich_media_content p:not([data-exeditor-arbitrary-box=image-box]){letter-spacing:.5px;line-height:30px;margin-bottom:var(--news-bottom-distance);word-wrap:break-word}.rich_media_content .qn-editor-copy p:not([data-exeditor-arbitrary-box=image-box]){letter-spacing:unset;line-height:unset;margin-bottom:unset;word-wrap:unset}.rich_media_content{color:var(--news-font-day-color);font-size:18px}@media(prefers-color-scheme:dark){body:not([data-weui-theme=light]):not([dark-mode-disable=true]) .rich_media_content p:not([data-exeditor-arbitrary-box=image-box]){letter-spacing:.5px;line-height:30px;margin-bottom:var(--news-bottom-distance);word-wrap:break-word}body:not([data-weui-theme=light]):not([dark-mode-disable=true]) .rich_media_content .qn-editor-copy p:not([data-exeditor-arbitrary-box=image-box]):not(.qn-editor-copy){letter-spacing:unset;line-height:unset;margin-bottom:unset;word-wrap:unset}body:not([data-weui-theme=light]):not([dark-mode-disable=true]) .rich_media_content{color:var(--news-font-night-color)}}.data_color_scheme_dark .rich_media_content p:not([data-exeditor-arbitrary-box=image-box]){letter-spacing:.5px;line-height:30px;margin-bottom:var(--news-bottom-distance);word-wrap:break-word}.data_color_scheme_dark .rich_media_content .qn-editor-copy p:not([data-exeditor-arbitrary-box=image-box]){letter-spacing:unset;line-height:unset;margin-bottom:unset;word-wrap:unset}.data_color_scheme_dark .rich_media_content{color:var(--news-font-night-color)}.data_color_scheme_dark .rich_media_content{font-size:18px}.rich_media_content p[data-exeditor-arbitrary-box=image-box]{margin-bottom:11px}.rich_media_content\u003ediv:not(.qnt-video),.rich_media_content\u003esection{margin-bottom:var(--news-bottom-distance)}.rich_media_content hr{margin-bottom:var(--news-bottom-distance)}.rich_media_content .link_list{margin:0;margin-top:20px;min-height:0!important}.rich_media_content blockquote{background:#f9f9f9;border-left:6px solid #ccc;margin:1.5em 10px;padding:.5em 10px}.rich_media_content blockquote p{margin-bottom:0!important}.data_color_scheme_dark .rich_media_content blockquote{background:#323232}@media(prefers-color-scheme:dark){body:not([data-weui-theme=light]):not([dark-mode-disable=true]) .rich_media_content blockquote{background:#323232}}.rich_media_content ol[data-ex-list]{--ol-start: 1;--ol-list-style-type: decimal;list-style-type:none;counter-reset:olCounter calc(var(--ol-start,1) - 1);position:relative}.rich_media_content ol[data-ex-list]\u003eli\u003e:first-child::before{content:counter(olCounter,var(--ol-list-style-type)) '. 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