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蜜蜂大小的無(wú)人機(jī)穿梭探測(cè)，手術(shù)機(jī)器人在血管中巡游作業(yè)，可捕捉細(xì)胞早期病變的新一代B超，擁有真實(shí)觸覺(jué)反饋的VR世界……這些科幻場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)，長(zhǎng)期以來(lái)都卡在一個(gè)關(guān)鍵瓶頸上——缺少一種能把“力”與“電”進(jìn)行超高效、超靈敏轉(zhuǎn)換的“超級(jí)壓電陶瓷”。如今，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)給出了突破性的答案。

1月29日，《科學(xué)》期刊在線發(fā)表了一項(xiàng)來(lái)自中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的里程碑式成果。西安交通大學(xué)講座教授、甬江實(shí)驗(yàn)室上席研究員任曉兵領(lǐng)銜的甬江實(shí)驗(yàn)室-西安交大聯(lián)合團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制出“超級(jí)壓電陶瓷”，將經(jīng)典多晶壓電陶瓷的核心性能指標(biāo)——壓電系數(shù)提升超10倍，一舉打破該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)70余年的性能停滯。這項(xiàng)研究不僅實(shí)現(xiàn)了材料性能的飛躍，更開創(chuàng)了主動(dòng)壓電器件的新范式，讓材料穩(wěn)定工作在曾被視為“禁區(qū)”的理論性能巔峰。

持續(xù)15年的逆向突圍

一切始于2009年那個(gè)大膽的猜想。時(shí)任西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院院長(zhǎng)的任曉兵在國(guó)際物理期刊上提出，在壓電材料的相圖多相交匯處，存在一個(gè)“三臨界點(diǎn)”，此處各相間能量壁壘消失，材料響應(yīng)理論上趨于無(wú)窮。“這就像是壓電性能的‘珠穆朗瑪峰’。”任曉兵這樣形容。

然而，這座“理論高峰”的位置卻讓學(xué)界陷入困境——它恰恰位于傳統(tǒng)壓電材料的居里溫度附近。在既有認(rèn)知中，這個(gè)溫度是壓電材料的“死亡溫度”，一旦接近，熱擾動(dòng)就會(huì)迅速打亂材料內(nèi)部的有序結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓電性能完全喪失?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)了一座金礦，卻發(fā)現(xiàn)一靠近它就會(huì)死亡。”任曉兵的比喻道出了這個(gè)領(lǐng)域的長(zhǎng)期悖論。

面對(duì)這一困境，研究團(tuán)隊(duì)選擇了逆向思考。他們不再試圖讓材料避開這個(gè)“死亡溫度”以保全“生命”，而是轉(zhuǎn)向思考，能否讓材料在這個(gè)溫度下“活”下來(lái)，并高效工作？這一思路的轉(zhuǎn)變，催生了壓電器件“主動(dòng)工作模式”的創(chuàng)新。

“就像在珠穆朗瑪峰建立營(yíng)地。”任曉兵解釋說(shuō)，“我們不僅需要優(yōu)秀的登山隊(duì)員，更需要一套強(qiáng)大的生命支持系統(tǒng)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)為壓電材料構(gòu)建了這樣的系統(tǒng)：通過(guò)集成微區(qū)熱管理技術(shù)將材料溫度精確穩(wěn)定在理論奇點(diǎn)，同時(shí)施加微小偏置電場(chǎng)，持續(xù)引導(dǎo)材料內(nèi)部?jī)|萬(wàn)電偶極子有序排列，抵消熱擾動(dòng)的破壞。

這一創(chuàng)新讓不可能變?yōu)榭赡??；诹畠r(jià)多晶鋯鈦酸鉛的壓電陶瓷，其壓電系數(shù)從傳統(tǒng)材料的不足600皮庫(kù)侖/牛頓，一舉躍升至6850皮庫(kù)侖/牛頓，創(chuàng)下新的世界紀(jì)錄。更令人振奮的是，在室溫至350℃的寬溫范圍內(nèi)，材料能穩(wěn)定保持超過(guò)6000皮庫(kù)侖/牛頓的高性能輸出。

一場(chǎng)深刻的范式變革

這項(xiàng)突破的意義遠(yuǎn)不止于一項(xiàng)性能紀(jì)錄的刷新，它代表著一場(chǎng)深層次的范式革命。

過(guò)去70余年，壓電材料的發(fā)展始終圍繞著“優(yōu)化材料本身”展開，追求材料在舒適區(qū)的固定高性能。但這種方法存在天然局限——材料性能受環(huán)境溫度波動(dòng)影響顯著，難以在極端條件下穩(wěn)定工作。

“傳統(tǒng)思路就像期待運(yùn)動(dòng)員在任何環(huán)境下都能跑出最好成績(jī)。”任曉兵說(shuō)，“而我們的新范式，是為運(yùn)動(dòng)員提供最適合的比賽環(huán)境。”研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)的“主動(dòng)工作模式”，正是通過(guò)外部調(diào)控系統(tǒng)，將材料動(dòng)態(tài)“鎖定”在最佳工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高性能與強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的統(tǒng)一。

這一轉(zhuǎn)變帶來(lái)了革命性的成果。相比于傳統(tǒng)壓電陶瓷性能長(zhǎng)期停滯在200—600皮庫(kù)侖/牛頓區(qū)間，高端單晶雖能達(dá)到2000皮庫(kù)侖/牛頓量級(jí)但“造價(jià)堪比黃金、穩(wěn)定性差并極其脆弱”，任曉兵表示，新創(chuàng)制的“超級(jí)壓電陶瓷”不僅性能大幅超越，更具備工程實(shí)用所需的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

“就像人體需要穩(wěn)定的37℃環(huán)境，但有了宇航服，人類就能在太空中正常工作。”任曉兵用這個(gè)生動(dòng)的比喻闡釋新范式的核心思想，“三臨界主動(dòng)壓電器件就是給超級(jí)材料穿上了‘智能宇航服’，讓它能在極端工況下穩(wěn)定發(fā)揮?！?/p>

這項(xiàng)歷時(shí)15年的研究，完成了從理論預(yù)言到器件創(chuàng)新的全鏈條閉環(huán)。隨著“超級(jí)壓電陶瓷”的問(wèn)世，一系列前沿應(yīng)用獲得了關(guān)鍵材料支撐——從微型機(jī)器人、細(xì)胞級(jí)超聲成像到高保真觸覺(jué)交互，這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)步伐將大幅加快。