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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

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“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。

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