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这篇Nature,纯属意外?

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人类科技史上,伟大的发明或者发现,似乎总伴随着意外。

1967,东京工业大学白川英树实验室,一个学生在做实验的时候看错配方,多加了一千倍的催化剂。于是,导电聚合物问世。

1928,英国细菌学家弗莱明在培养细菌的时候,不小心被霉菌污染了许多培养皿,细菌全部死掉了。于是,青霉素被发现。

1956,日本科学家下村修无数次实验室失败,他把废液倒进废液缸,却看到了奇迹的发光现象。于是,蛋白质水母素被成功分离出来!

今天我们要介绍的这项研究成果,似乎也是起源于一次意外发现。


陶瓷具有优异的热稳定性、化学稳定性和力学稳定性,早在26000年前,陶瓷烧结技术就被发明并加以利用。进入现代社会以来,陶瓷材料更是在电子元器件,能源存储以及极端环境等领域广泛应用。

陶瓷当然是很脆的,自古以来就是这样。

自古以来的就对吗?有没有办法让陶瓷像形状记忆合金一样,也具有可逆形变功能呢?

一般而言,形状记忆行为起源于固相到固相的转变。固-固相仅在固态下发生,通过改变温度(或压力),一种结晶固体可以转变为另一种结晶固体。想要实现形状记忆陶瓷,常见的策略就是系统地调整晶格参数以提高不同相之间的动力学相容性,从而增强固-固相变的可逆性。

于是,研究团队挑选了一个动力学兼容性近乎完美的陶瓷材料:(Zr/Hf)O2(YNb)O4 。然而,和所有人的预期完全相反的是:通过冷却使四方相转变到单斜相时,在其晶界处发生缓慢而稳定的渗出过程,甚至发生爆炸性分解。难道,这就是所谓的:不在相变中爆发,就在相变中哭泣?

无论如何,这是一个极其违反常规的现象,从道理上就说不通嘛!

如果是一般人,这个实验可能就被扔到角落里面了,可能永世不得见天日。但是,他们终究不是一般人,哈哈。

这个研究团队通过理论设计,反其道而行之,以一种意想不到的方式对调整晶格参数进行特殊调控,以满足更强的“等距”条件,使得陶瓷材料表现出低滞后的可逆行为,实现了类似形状记忆的功能。这项研究为设计和寻找具有形状记忆功能氧化物陶瓷,带来了新的希望。

那么,形状记忆陶瓷究竟有什么用?

难道是为了让盘子掉到地上之后,还可以自修复吗?当然不是!有了形状记忆功能,就能让陶瓷在高温或腐蚀性环境中稳定工作。更重要的是,新型形状记忆铁电陶瓷的相变,可利用极小的温差发电。

美国明尼苏达大学的Hanlin Gu和Richard D. James 、德国基尔大学的Jascha Rohmer、Justin Jetter、Lorenz Kienle和Eckhard Quandt以及宁波大学先进技术研究所的Andriy Lotnyk(原单位:德国莱布尼茨表面工程研究所),为论文的所有7位作者,而且全都是通讯作者。

最后,老生需要常谈的是:

1科研,没有坏数据。

2机会,是留给有准备的人。苹果砸在牛顿头上,有了万有引力;砸在你的头上,只是疼。

3再老的课题,也有新的机会。科研不要跟风,还是要多做一些原创的研究,在一些没那么如火如荼的领域,开创一片属于自己的新天地。

近年来,陶瓷材料有关的部分前沿研究







谨以UriAlon大佬的这幅图

送给大家

共勉


图丨UriAlon

参考文献:

HanlinGu et al. xploding and weeping ceramics. Nature 2021, 599, 416–420.

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03975-5

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