近日，甬江實驗室任曉兵教授團(tuán)隊研發(fā)出一種超級壓電陶瓷，開創(chuàng)了主動壓電器件新范式，讓材料穩(wěn)定工作在“性能珠峰”[1]。該團(tuán)隊將多晶陶瓷的壓電系數(shù) d?? 提升至約 6,850pC/N，較商用 PZT 陶瓷高 10-30 倍，也優(yōu)于昂貴的弛豫鐵電單晶 2-4 倍，成功突破了困擾領(lǐng)域七十余年的性能瓶頸。

更值得關(guān)注的是，通過主動模式設(shè)計，該超級壓電陶瓷的超強(qiáng)性能可在室溫至 350℃的寬溫區(qū)間內(nèi)持續(xù)保持穩(wěn)定，完全不受外界溫度變化的影響。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660）

這一性能突破，為諸多前沿領(lǐng)域的技術(shù)升級開辟了新路徑：昆蟲級微型機(jī)器人可憑借其獲得更強(qiáng)的驅(qū)動“肌肉”和更敏銳的傳感“觸覺”，從而完成更復(fù)雜的任務(wù)。虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實設(shè)備可以通過它實現(xiàn)更逼真、更細(xì)膩的觸覺反饋，讓虛擬世界的觸感體驗成為現(xiàn)實。

圖 | 任曉兵（來源：受訪者）

陶瓷超能力來自一個神奇的點

壓電材料是現(xiàn)代功能材料中至關(guān)重要的一類，已深入日常生活與高科技領(lǐng)域。例如，手機(jī)的指紋識別、汽車倒車?yán)走_(dá)與泊車輔助系統(tǒng)中的距離傳感、乃至光刻機(jī)中納米級精度的位移控制，都依賴于壓電材料。

它既能作為傳感器將力學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，也能作為驅(qū)動器將電能轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的機(jī)械運動。全球壓電器件產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)數(shù)百億美元，且隨著智能化時代的到來，其作為物理世界與數(shù)字世界接口的角色愈發(fā)關(guān)鍵。

一直以來，人們都想讓這種材料變得更強(qiáng)和更靈敏，但是遇到了兩大難題：一是材料本身的壓電效應(yīng)十分微弱；二是做成實用的多晶陶瓷之后，內(nèi)部大量電偶極子的取向紊亂，很難讓它們的力量完全一致對外，導(dǎo)致整體性能大打折扣。

這次，該團(tuán)隊換了一個思路：不再和材料本身的脾氣硬碰硬，而是給其創(chuàng)造一個能夠完美發(fā)揮的工作環(huán)境。他們在傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷中找到了一個在溫度和在成分相圖上極為特殊的點——四相點。這是一個熱力學(xué)上的奇點，在這個點上，材料的四種不同晶體結(jié)構(gòu)（立方、四方、單斜、菱方）可以和平共存，達(dá)到了一個熱力學(xué)上的臨界狀態(tài)，就像讓水、冰、水蒸氣同時穩(wěn)定存在一樣。

只找到這個點還不夠，因為這個狀態(tài)一般很不穩(wěn)定，只有在特定的高溫下才會瞬間出現(xiàn)。為此，他們想到了一個稱作主動模式的控制方法。他們?yōu)檫@塊陶瓷量身打造了一個“智能工作艙”。

這個工作艙里有一個微型恒溫器，無論外界是冷是熱，它都能把陶瓷內(nèi)部的溫度精確維持在 350 ℃這個四相點溫度上。同時，還給陶瓷加上一個穩(wěn)定的微小直流電場，讓陶瓷內(nèi)部所有電偶極子的取向保持一致。

借助這一設(shè)計，陶瓷就始終被鎖定在性能峰值的奇異狀態(tài)。團(tuán)隊還特制了隔熱連桿，既能讓工作艙內(nèi)的機(jī)械動作幾乎無損耗地向外傳遞，滿足驅(qū)動與感知的實際應(yīng)用需求，又能徹底隔絕外界溫度變化對艙內(nèi)的影響。在“智能工作艙”的加持下，這款陶瓷的壓電性能實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660）

采訪中，任曉兵還展示了一個形象的 3D 打印地形模型，生動詮釋了壓電材料的發(fā)展歷程：1880 年發(fā)現(xiàn)的石英等初代壓電材料如海邊沙地（d??<10 pC/N）；1950 年代 PZT 陶瓷的發(fā)現(xiàn)如同發(fā)現(xiàn)了一座高山腳下的山脊，實現(xiàn)了十倍提升（d??~200-600 pC/N）；而過去七十多年，人們一直在這座高山的山脊上艱難攀爬，無法突破上方因材料死亡而形成的無形屏障；直到本次工作，通過主動模式裝備，終于登上了那座理論預(yù)言已久、但從未有人抵達(dá)的性能“珠峰”。

目前，基于主動模式設(shè)計的超級壓電陶瓷原型裝置，在微型化方面仍有提升空間；未來隨著集成技術(shù)的不斷進(jìn)步，其體積可縮小至米粒級，從而實現(xiàn)各類設(shè)備的嵌入式集成應(yīng)用。如同當(dāng)下電子器件中廣泛應(yīng)用的恒溫晶振一般，未來這款主動模式的超級壓電陶瓷，有望成為高端精密設(shè)備的核心元件。

圖 | 團(tuán)隊合影（來源：受訪者）

總的來說，這項研究不僅實現(xiàn)了壓電材料性能的歷史性突破，更提供了一種從優(yōu)化材料到創(chuàng)造最佳工作環(huán)境的創(chuàng)新研發(fā)范式，其影響力有望輻射至眾多功能材料與器件領(lǐng)域。甬江實驗室郝彥雙研究員、日本 NIMS 的 Dipak Kumar Khatua 博士、西安交通大學(xué)王棟教授和高景暉教授為共同第一作者；甬江實驗室任曉兵研究員、任帥研究員與西安交通大學(xué)楊陽副教授為共同通訊作者。

參考資料：

1.https://mp.weixin.qq.com/s/7K5zvsVna_fUnu-_MnBmmQ

相關(guān)論文 https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660

運營/排版：何晨龍