新材料“革命性发现”：为压电材料装上“恒温舱”后性能提升超10倍

“这项研究的深层意义在于它是一场 ‘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。”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）。

当地时间1月29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——压电系数大幅提升超10倍，创制出“超级压电陶瓷”；并开创了主动压电器件新范式，让材料稳定工作在“性能珠峰”。

这项突破意味着，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。

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。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660

“死亡温度”或是“性能奇点”？

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”。

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B超成像、工业领域的光刻机纳米级定位，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。

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。

在压电材料的发展历程中，第一次性能跃升发生在20世纪50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，其性能始终定格在200-600 pC/N区间，数十年未有根本性突破。20世纪80年代，高端压电单晶出现，性能可达2000 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。

“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“主动工作模式”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至30倍，也超越了所有已知的顶级单晶材料。

怎么理解任晓兵团队提出的“主动工作模式”？

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”。

为了保证压电材料长期稳定运行，过去70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。

2009年，任晓兵在国际物理期刊 Physical Review Letters 上提出前瞻理论：在压电材料的相图多相交汇处，存在一个 “三临界点”（tricritical point），即“热力学奇点”。在这个位置上，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”。

“（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。

任晓兵（左），甬江实验室提供。

大胆逆向思考

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？

转折点在2023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，最终将压电系数推到6000 pC/N以上。“当性能达到6000 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。

“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”，施加一个微小的偏置电场（约20 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，即便在室温到350℃的超宽温度范围内，也能保持d33 > 6000 pC/N的稳定输出。

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至350°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。

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。

两类全新应用

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。

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。

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。如果压电性能提升约10倍，小型化、便携化的自主飞行将成为可能。