今日3篇 Science - 复旦龚鸣/UCSD熊伟、北航刘明杰/中科大江雷、清华李敬锋/西安交大武海军

2026年10月1日，复旦大学龚鸣教授与UCSD熊伟教授/华东理工练成教授和张新胜教授、北京航空航天大学刘明杰教授/中国科大江雷教授、清华李敬锋教授和李千副教授/西安交大武海军教授/北科大徐坤教授在Science上分别以 “ Dynamic multimodal cation-carbon interaction for efficient adiponitrile electrosynthesis”、“Hierarchical crystalline organic-inorganic framework enabling high-modulus toughening in nacre”、“Ultrahigh piezoelectricity by polaron-defect complexes” 为题发表研究论文。现分别介绍如下：

破解尼龙关键原料生产绿色难题

复旦龚鸣 、 UCSD 熊伟 、 华理 练成和 张新胜

由丙烯腈加氢二聚实现己二腈电合成，对尼龙工业至关重要。然而，丙烯腈单电子还原这一关键步骤，通常需要使用有毒重金属电极，且能量效率偏低。

据此，复旦大学化学系龚鸣副教授与美国加州大学圣地亚哥分校化学系熊伟教授、华东理工大学化学与分子工程学院练成教授和化工学院张新胜教授合作提出一种动态多模式阳离子 - 电极相互作用策略，可在环境友好型碳电极上实现己二腈高效合成。最优苄基三己基铵阳离子，借助阳离子苄基基团与碳电极之间的多模式非共价相互作用压缩双电层，从而在水系电解液中构建贫水界面。从小试到159 cm 2 电解槽的实验均证实，该策略所得反应选择性可与传统铅基体系相当，同时过电位大幅降低。本研究表明，在高导电性水系体系中，调控以阳离子为核心的微环境，对发展可持续的工业化有机电合成具有重要意义。

2026年10月1日, 相关工作以 “ Dynamic multimodal cation-carbon interaction for efficient adiponitrile electrosynthesis ” 为题发表在Science上 。复旦大学化学系杜威博士、美国加州大学圣地亚哥分校化学系博士后Chun-Chieh Yu、华东理工大学徐基鹏博士以及王儒盛硕士为共同第一作者，龚鸣副教授、熊伟教授、练成教授 、张新胜教授为共同通讯作者。华东理工大学刘洪来教授、上海交通大学严畅长聘轨副教授参与了本课题研究。该研究得到了国家自然科学基金重大研究计划培育项目以及国家自然科学基金面上项目支持。该研究获得了复旦大学未来能源高等研究院包信和院士的讨论和支持。

Science编辑Jack Huang评述: 丙烯腈的电化学液相二聚为生产己二腈提供了一种更清洁的途径，而己二腈是尼龙6,6的关键前体，但现有体系严重依赖有毒的铅或镉电极，且能量效率低下。该研究开发了一种基于碳的电合成策略，利用苄基取代的季铵阳离子来调控电极-电解质界面。发现苄基与碳之间存在多种非共价相互作用，这些作用使丙烯腈在电极附近富集，促进了自由基偶联并抑制了副反应。即使在放大后的工业级电解槽中，该体系也实现了与铅电极相当的选择性，但过电位显著更低。

改造界面，告别铅镉重金属电极依赖

己二腈的名字听起来陌生，却是现代工业中不可或缺的一环 - 它是一种无色透明的有机液体，正是生产尼龙66的关键原料。尼龙66强度高、耐热好、耐磨性强，被广泛用于汽车发动机部件、工程塑料和高端纺织品。

据统计，己二腈全球市场规模已超过100亿美元，预计未来几年仍将以约8.2%的年复合增长率持续扩大。可以说，从汽车到电池，从服装到家电，己二腈的身影无处不在。

但这一原料的生产并不“绿色”。目前，工业上主要依赖两条路线：一条是丁二烯与剧毒氢氰酸（HCN）反应，另一条是电化学丙烯腈加氢二聚法。“前者涉及高毒性气体，安全和环保压力越来越大；后者虽然已经工业化半个多世纪，却必须使用铅、镉等重金属电极。” 龚鸣介绍。

众所周知，铅、镉都是有毒重金属，长期运行会向电解液中释放金属离子，产生危险废水，需要昂贵且严格的处理。但是，铅和镉正好能相对有效地压制部分副反应，保证己二腈的选择性。于是，一个矛盾的问题摆在面前：要环保，就得放弃铅镉；要效率，又离不开铅镉。有没有第三条路？

面对这一难题，龚鸣团队没有继续在铅、镉等电极材料上打转，而是转向改造碳电极界面的新路径。他们注意到，碳电极是一个共轭强度很高的体系，可以借助苯环与碳表面的相互作用，促进丙烯腈向己二腈转化。在此原理基础上，他们做了一系列筛选实验，找到了一种能够改变界面“微环境”的特殊分子 -苄基三己基铵（Bn(Hexyl)₃N⁺）。

团队发现，这类特殊分子改造碳电极界面的效果非常显著。在碳电极上，借助这一特殊分子，己二腈选择性超过80%，法拉第效率达到72.9%。相比之下，传统的四丁基铵（Bu₄N⁺）体系在碳电极上选择性低、效率差，尤其在高电流密度下迅速衰减。

阳离子-电极相互作用促进高效的选择性ADN电合成

实验结果证明，在相同电流密度下，这一新体系所需电压更低，能量效率更高。这一成果让原本副反应多、不适合用的碳电极变得高效可用。

特殊分子为何有效？多种实验揭秘作用机制

苄基三己基铵 -这类特殊分子为什么有效？为揭秘背后关键的作用机制，研究团队花费了一年半时间，进行了多种先进表征实验。

碳电极-苄基三己基铵之间的动态多模态相互作用

首先进行了电化学测试实验，结果显示，加入特殊分子后，电极/电解液界面的微分电容显著降低，说明阳离子在电极表面形成了更紧凑的双电层。加入丙烯腈后，电容急剧上升，对应丙烯腈阴离子自由基的生成。“苄基的引入让自由基生成更快、比例更高。”龚鸣介绍。

借助和频振动光谱（VSFG），直接“看”到了界面水分子的变化。在石墨烯/水界面上，加入特殊分子后，代表氢键网络的水分子信号大幅下降，说明阳离子把界面水排开了。与此同时，芳香C-H振动峰的出现，证明苄基确实与碳电极表面作用，并且发生了重新取向。

多模态阳离子-碳相互作用的谱学分析及作用机制

分子动力学模拟实验则进一步揭示了空间分布，特殊分子让丙烯腈在距离电极约1.0 nm处富集，而水分子则被推到更远处。正是这种“丙烯腈富集、水分隔离”的界面结构，让己二腈选择性大幅提升。

“探究结果背后的作用机制并不容易，我们做了多方面的实验验证，克服了很多困难。”杜威说。基于反复实验，他们揭秘了特殊分子的作用机制 - 在电场作用下，分子会富集到碳电极表面。苄基与碳表面发生多种非共价相互作用，像“动态抓手”一样贴在碳表面；三条己基链则像“疏水屏障”，把水分子挤走，为丙烯腈腾出空间。

这样一来，碳电极上原本容易发生的析氢和副反应被抑制，己二腈的选择性明显提高，从而实现了用碳电极替代铅、镉电极的目标。

然而，实验室性能优异，还不等于工业可用。为验证成果的工业潜力，构建了两电极电解槽，阳极用泡沫镍，阴极用碳，电解液中含特殊分子。在50 mA cm-2电流密度下，他们发现，这一新体系的电压比传统铅-镍体系低约360 mV，能量效率显著提升。

但长期运行中，他们发现电流和己二腈产率会逐渐下降，原因是过程中会形成油状副产物，堵塞电极界面。受电化学中脉冲电位控制的启发，设计了“方波脉冲”策略，让阳离子在电极表面反复吸附-脱附，动态刷新界面。

两电极脉冲下放大电解器件示意图及性能

在脉冲策略下，三电极体系的己二腈选择性进一步提升，副产物比例也可以调控。这意味着，碳电极体系能超越过往的生产效率，且更加绿色、环保，传统铅、镉体系的生产路径有望被颠覆。

附更多图文介绍

图1. 实现高选择性高效己二腈电合成

图2. 己二腈电合成中阳离子‑电极相互作用下的界面分析

图3. 多模式阳离子‑碳相互作用的振动和频产生光谱分析

图4. 小试至放大规模的两电极电解装置

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开辟新思路，助力尼龙产业链绿色转型

“有时候解决问题的关键，不在于更换整个系统，而在于精心设计那层只有纳米厚的界面。”龚鸣表示。

在有机电化学领域，这项研究成果提供了一种通用的界面调控思路。传统上，有机电合成优化往往聚焦于电极材料本身，而这项研究表明，电解液中的阳离子可以相互作用，主动塑造电极/电解液界面。

从铅到碳，从高能耗到更省电，这项研究还为尼龙产业链的绿色转型提供了一个切实可行的方向。随着电解槽和工艺的进一步优化，“碳电极+动态阳离子界面”的组合有望走向工业应用，让尼龙的生产更清洁、更高效。

目前，不止步于实验室的机理解释，团队已通过脉冲策略解决了稳定性问题，并在159 cm2电解槽中验证了性能，能量效率可提升约20%。虽然这项技术距离大规模工业部署仍有距离，但毫无疑问，它为解决有机电合成中的“环保vs效率”难题提供了一个令人振奋的方向。

下一步，团队将进一步提高己二腈的选择性与合成效率，充分展示成果的工业化潜力，让产业链看到其应用前景；同时，优化电化学反应中与负极配对的正极反应，改善整个电解体系的性能。他们还计划将改变界面微环境的策略迁移到其他电化学反应中，验证这一新思路是否同样有效。

团队期待，这项技术能够真正应用落地，让源自实验室的原始创新，转化为化工产业链上的绿色生产动力，助力己二腈的生产过程更加环保、高效。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aef5175

层级化晶态有机-无机框架结构

实现珍珠层的高模量增韧

北航刘明杰、中国科大江雷

在高性能结构材料中，“刚”和“韧”往往难以兼得。陶瓷、矿物等无机材料通常具有较高的强度和模量，却容易发生脆性断裂；加入柔软的聚合物或有机相虽然能够吸收能量、阻止裂纹扩展，却常常以牺牲刚度为代价。天然珍珠层却似乎打破了这一矛盾：其无机组分高达约95 wt%，仅含约5 wt%的有机物，却同时表现出优异的强度、刚度和抗裂性能。长期以来，人们通常用经典的“砖-泥”结构解释这一现象，即硬质文石片层像“砖”，柔软有机质像“泥浆”，通过界面滑移和能量耗散实现增韧。然而，这种模型仍难解释一个关键问题：如果有机相主要是柔软的“胶水”，珍珠层为何还能在保持高模量的同时获得如此出色的抗裂能力？

据此，北京航空航天大学刘明杰教授、中国科大江雷教授报道了成熟褶纹冠蚌珍珠层中的一种高模量增韧机制，该珍珠层由文石纳米棒与片层内生物分子微晶交替复合，形成晶态有机-无机框架结构。受临界滑移长度效应调控，这些晶态单元的模量与强度接近理论极限。纳米限域下的生物分子微晶在层间界面起到纳米销钉的作用，缓解应力集中，实现跨尺度协同变形，从而赋予材料优异的断裂韧性。受该机制启发，利用再生文石片制备的人工仿珍珠层同时兼具高刚度与抗裂性能，上述认识为研发稳定可靠的高性能结构材料提供了一条极具前景的思路。

2026年10月1日, 相关工作以 “ Hierarchical crystalline organic-inorganic framework enabling high-modulus toughening in nacre ” 为题发表在Science上。北京航空航天大学博士后陈航为第一作者， 刘明杰教授为通讯作者。

珍珠层因其优异的强度、刚度与韧性，长期以来备受研究者关注。人类对其纳米结构的认识已有六十余年，无机微晶整齐交错的排布方式被认为是其具备卓越力学性能的核心原因。该结构理念已成为仿珍珠层材料设计的重要指导。研究者已开发出层层沉积、浇铸成型与冰模板法等制备策略，用于组装取向无机微晶，构筑高强高韧纳米复合材料。从理论上证明，当无机微晶处于临界特征长度时，其强度与模量可接近理论极限。同时，有机相通常被视作均质粘结相，作为可发生塑性变形、耗散能量的基体。然而这类软质相会阻碍无机微晶之间的载荷传递，带来固有的性能权衡：提升韧性往往要牺牲刚度，这也是承载类结构材料面临的关键瓶颈。近期研究表明，纳米限域聚合物微晶能够在不降低材料刚度的前提下提升韧性。

本文探究天然珍珠层中是否存在类似的生物分子结晶现象，若存在，则进一步研究其对珍珠层增韧机制的贡献，报道褶纹冠蚌成熟珍珠层中一种由晶态有机-无机框架（COIF）主导的高模量增韧机制。该框架保留经典的“砖-泥”结构，同时在片层内部构建多级结构，尺寸为29±3.9 nm的文石纳米棒垂直于片层平面取向，纳米棒之间存在4.9±0.4 nm的间隙，间隙内填充片层内生物分子微晶。借助临界滑移长度效应，这些晶态单元的模量与强度接近理论极限。纳米限域的生物分子微晶在层间界面充当纳米销钉，缓解应力集中，实现多尺度协同变形。基于该原理，利用再生文石片与树脂制备了重构珍珠层材料。

图文介绍

首先从天然珍珠层的“成长过程”入手。褶纹冠蚌贝壳由外膜层、方解石棱柱层和珍珠层组成，而珍珠层本身又可以分为靠近内表面的过渡层（TL）和更加成熟的成熟层（ML）（图1A、B）。有意思的是，这两个区域的有机质含量基本相近，但力学性能却明显不同。成熟层抵抗裂纹萌生的能力远高于过渡层，其断裂韧度约为3.2 MPa·m1/2，而过渡层仅为1.1 MPa·m1/2，前者接近后者的3倍（图1C）。这意味着，决定珍珠层性能的并不是简单的“有机质有多少”，而更可能是这些有机质究竟以什么状态存在、又如何与无机矿物组织在一起。进一步观察发现，二者在较大尺度上看起来都具有熟悉的“砖-泥”层状结构（图1D、F），但到了纳米尺度，差别立即显现。过渡层中的文石结构较为无序且堆积疏松，片层之间和片层内部的有机物主要处于无定形状态（图1G1-G3）。而随着珍珠层成熟，内部逐渐出现高度有序的分级结构：成熟层的片间区域中存在约10 nm厚的生物分子晶体，而在单个文石片层内部，研究人员还观察到直径约29±3.9 nm、垂直于片层方向排列的文石纳米棒，相邻纳米棒之间约4.9±0.4 nm的狭窄空间则被高度结晶的片内生物分子晶体填充（图1H1-H3）。这些有机晶体并非简单夹在无机片层之间，而是深入文石内部，与纳米棒共同构成连续的三维框架（图1I、J）。因此，成熟珍珠层更准确的描述并非传统的“硬砖+软泥”，而是一个真正相互贯通的晶态有机-无机复合网络。

图1. 褶纹冠蚌过渡层与成熟珍珠层的结构对比

那么，这种结构变化究竟能带来多大的性能差异？拉伸实验显示，成熟层的弹性模量约为62 GPa，拉伸强度约220 MPa，均高于过渡层的53 GPa和170 MPa；弯曲条件下，成熟层的模量和强度分别达到约58 GPa和180 MPa，同样明显优于过渡层（图2A、B）。纳米压痕结果也显示，成熟层表面模量约108 GPa，而过渡层约89 GPa（图2C）。更重要的是，这种结构并非只让材料“更硬”，还显著提高了裂纹扩展阻力。成熟层最大裂纹扩展韧度KJc达到7.1 MPa·m1/2，其裂纹扩展能释放率和塑性区半径也大幅提升。 疲劳性能的差距更加直观。在80%最大弯曲载荷下，成熟层可经受超过10万次循环，并保留约91%的强度；相比之下，过渡层的疲劳性能明显较弱（图2D）。进一步引入“临界裂纹长度”来衡量材料对缺陷的容忍程度：理论计算表明，成熟层的临界裂纹长度约101 μm，而过渡层只有约10 μm，相差约一个数量级（图2E）。换句话说，当材料中已经存在微小缺陷时，成熟珍珠层能够容忍更大的裂纹而不立即进入灾难性断裂，这对于天然贝壳抵抗撞击和长期循环载荷尤为重要。

图2. 成熟层与过渡层的力学性能比较

为了弄清楚这种“抗裂能力”究竟来自哪里，利用数字图像相关技术和原位超小角X射线散射，实时观察了两种珍珠层在弯曲过程中的变形行为。结果显示，过渡层在缺口附近很快出现明显的位移和应变集中，裂纹尖端承受了主要变形（图3A、B）。而成熟层的变形则更加均匀：样品上部受拉、下部受压，不同层级之间能够一起响应外部载荷，缺口附近并没有出现明显的局部应力集中（图3C、D）。也就是说，成熟层不是让某个局部结构单独“扛住”裂纹，而是让更大范围的结构共同承担载荷。纳米尺度的散射结果进一步印证了这一点。过渡层受力后，层间距增加约20%，说明层间有机相发生了明显剪切和滑移（图3E、F）；成熟层的特征间距却几乎保持在约190 nm不变（图3G、H）。有限元模拟显示，成熟层结构可以使裂纹尖端的位移梯度相比过渡层最高降低约73%。研究团队因此提出“剪切-钉扎（shear-pinning）模型”：在传统过渡层中，应力主要依靠层间有机质的剪切传递，一旦局部界面承载过重，就容易形成应力集中；而在成熟层中，深入文石片层内部的生物分子晶体像一根根纳米“销钉”，把相邻结构单元牢牢连接起来，使局部变形转化为跨层级、跨尺度的协同变形（图3I、J）。

图3. 两种珍珠层的变形机制

进一步揭示了这种结构为何能够同时做到“高模量”和“高韧性”。早在此前的理论研究中，就有学者预测：当无机晶体尺寸缩小到约30 nm时，内部缺陷对强度的影响会显著下降，材料有机会接近其理论强度。此次研究测得的文石纳米棒直径恰好为29±3.9 nm，与这一理论临界尺度高度吻合（图4A、B）。与此同时，片内生物分子晶体约4.9±0.4 nm的厚度也处于相应的临界尺度。这意味着，无论是有机晶体还是无机晶体，都被天然结构“调”到了非常合适的尺寸区间。将这一现象称为临界滑移长度效应：当晶体尺寸足够小，裂纹难以直接穿透高强度晶体，只能沿有机—无机界面传播。 但裂纹走到界面并不意味着材料就会立即断裂。相反，这恰恰成为成熟珍珠层继续耗散能量的机会。图4C-F显示，文石纳米棒和生物分子晶体之间可以发生有限的界面滑移，消耗外部输入的能量；与此同时，裂纹尖端附近形成塑性区，使尖锐裂纹逐渐“钝化”。配合前面提到的跨尺度协同变形，原本高度集中的应力被重新分散，微裂纹也被限制在局部区域内，难以迅速贯穿整个材料。最终形成了一套从纳米到微米尺度协同工作的增韧体系：晶体负责保持高刚度，界面负责耗能，生物分子晶体负责“钉住”不同结构单元，而整个框架共同抑制裂纹失稳扩展（图4G）。

图4. 成熟珍珠层的高模量增韧机制

发现天然机制之后，进一步尝试把这一设计原则真正“搬”进人工材料中。首先，以天然珍珠层为模板，通过260 ℃热处理去除生物大分子，再利用N-甲基-2-吡咯烷酮进行液相剥离，获得横向尺寸约5 μm的单层文石片（图5A、B）。随后，研究人员引入具有较高结晶性的共聚物PSMA-PLMA，使单体进入文石内部纳米孔隙并原位聚合，重新构建类似天然成熟珍珠层的有机-无机框架（图5C）。最后，再利用联苯环氧树脂作为片层间黏结剂，并通过230 ℃热压将这些单层结构重新组装为块体仿生珍珠层（图5D-H）。电子显微镜结果表明，聚合物不仅存在于片层之间，也成功进入了文石纳米结构内部，实现了对天然COIF结构的人工重建。这种结构复制最终也转化为了优异的力学性能。人工重构珍珠层在10万次弯曲循环之后仍可保持91%的强度，其弯曲强度达到约290 MPa，模量约43 GPa；进一步加入单壁碳纳米管后，弯曲强度约293 MPa，断裂韧度KIc达到7.2 MPa·m1/2，裂纹扩展韧度KJc最高达到12.8 MPa·m1/2。其塑性区半径达到112 μm，比刚度相近的陶瓷高出约3个数量级，而临界裂纹长度也提高至约200 μm（图5I、J）。这些结果说明，研究真正实现的并不是简单“模仿珍珠层外观”，而是把天然材料内部隐藏的力学组织方式复制到了人工复合材料中。

图5. 仿生重构珍珠层的制备与性能

总之，揭示了褶纹冠蚌成熟珍珠层中由晶态有机-无机框架（COIF）所主导的高模量增韧机制。该结构利用临界滑移长度效应，使材料刚度与强度接近理论极限。同时，纳米限域生物分子微晶充当纳米销钉，降低应力局域化程度并实现跨尺度协同变形，最终赋予材料优异的断裂韧性。将该机制应用于重构珍珠层时，所得材料展现出优异性能（弹性模量43 GPa，断裂韧性12.8 MPa·m1/2，临界裂纹长度0.2 mm，塑性区尺寸112 μm），成功实现刚度与韧性的解耦。上述研究结果建立了一种普适的基于COIF的仿生材料设计思路，可拓展至多种具有纳米限域结构的纳米材料体系。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg1070

极化子-缺陷复合实现超高压电性

清华李敬锋/李千、西安交大武海军、北科大徐坤

压电材料可实现机械能与电能的相互转换，被广泛应用于微机电系统（MEMS）、精密驱动器、超声换能器及智能机器人等前沿技术领域。然而，其材料设计长期面临一个难题：大的压电应变与快的响应速度往往难以兼得。传统铁电材料依靠晶格离子位移产生压电效应，虽然其响应速度快但振幅难以获得突破；近年来研究发现借助氧空位等离子缺陷可以大幅提升压电应变，但其离子迁移限制了其响应速度。前者“快而小”，后者“大而慢”，如何兼顾大应变与快速响应，已成为压电及机电功能材料研究的重要方向。

据此，清华大学材料学院李敬锋教授/李千副教授、西安交通大学武海军教授、北京科技大学徐坤教授合作提出“极化子-缺陷（polaron-defect，PD）复合”的新型压电材料设计策略，在钙钛矿结构铌酸银基无铅铁电薄膜中首次报道超高有效压电响应：在直流偏压与千赫兹交流激励协同作用下，其有效压电系数可达7170 pm/V，对应电致应变高达6.2%。

2026 年 10 月 1 日，相关工作在Science上发表了题为"Ultrahigh piezoelectricity by polaron-defect complexes " 研究论文。清华大学材料学院博士后舒亮和西安交通大学博士研究生彭古扬为共同第一作者,李敬锋教授、武海军教授、李千副教授、徐坤教授为共同通讯作者。论文重要合作者有北京理工大学教授黄厚兵、香港城市大学教授张树君、北京科技大学讲师施小明等。

Science编辑Phil Szuromi评述: 钾掺杂铌酸银薄膜中极化子-缺陷复合物的引入，使其在千赫兹频率下具有优异的电致性能。该研究通过产生巨大的缺陷极化，克服了传统压电材料中开关速度与压电幅度之间的权衡关系。这种效应由多单元电子极化子跃迁驱动，实现了集体极化子-缺陷重构，超越了单个单元的有限电偶极扩展。这些材料表现出约7170皮米/伏的有效压电系数和约6.2%的应变。

图文介绍

该策略的核心思想是利用快速跃迁的电子小极化子，即与局域晶格畸变耦合的局域电子态，驱动缺陷极化变化，从而将“大缺陷极化”与“快电子动力学”结合起来，实现“快又大”的场致机电响应(图1)。带电晶格缺陷可通过静电-弹性相互作用稳定电子极化子并形成PD复合体。直流电场驱动极化子在相邻晶格位置间定向跃迁，使 PD复合体重构，从而产生较大的缺陷极化，并伴随缺陷附近局域畸变各向异性增强；叠加交流电场后，极化子快速往复跳跃，使得数千赫兹频率下仍能保持较大的极化调制。这一极化调制通过改变局域晶格畸变的各向异性，进一步转化为宏观应变。与依赖离子迁移的机制不同，该路径将电子的快速动力学引入缺陷极化过程，从而突破传统离子迁移数十赫兹低频响应的速度瓶颈。

图1. 极化子-缺陷复合设计实现千赫兹下超高压电响应

在溶胶-旋涂法制备的K掺杂AgNbO3薄膜中，Ag+发生还原并不均匀析出，形成局域化学成分差异。原子尺度结构与电子态表征发现，在欠银区域易形成带正电的Nb占据Ag位的反位缺陷，并进一步聚集形成纳米尺度缺陷团簇，同时伴随局域晶格畸变（图2）。为实现电荷补偿，过量电子局域在反位缺陷附近的Nb位点，诱导Nb发生变价，进而形成极化子-缺陷复合体。这些缺陷团簇在薄膜内部呈空间分布，并产生显著的应变-电荷耦合效应。

图2. (Ag0.92K0.08)NbO3薄膜中极化子-缺陷复合体的原子尺度表征

图3. PD-AKN8 中的机电响应与弛豫动力学

为揭示其高机电响应的来源，开展了系统的机电响应与电学表征，并结合电场原位二次谐波发生（SHG）、四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和同步辐射微聚焦X射线衍射（XRD）等先进表征技术，同时结合第一性原理计算和相场模拟，从实验与理论两个层面交叉验证(图4)，结果表明，极化子与缺陷之间存在电学一弹性耦合，而外加电场驱动小极化子在相邻晶胞快速跃迁，引发极化子-缺陷复合体动态重构，并伴随局域缺陷极化和局域晶格畸变演化。这一过程是产生超高有效压电响应的关键微观机制。

图4. 电场作用下结构与极化状态的原位演变及理论模拟

在此基础上，进一步将该设计策略拓展至具有中心对称、非钙钛矿结构的Nb掺杂二氧化钛薄膜，在1kHz下同样获得超过1000 pm/V的有效压电响应，显示出极化子-缺陷复合体设计向其他材料体系拓展的潜力。

综上, 本研究不仅展示了一种兼具高机电响应与快速动态特性的无铅功能薄膜材料，更揭示了极化子-缺陷协同调控机电响应的新机制，为突破传统压电材料中高响应与快速动态特性难以兼顾的瓶颈提供了新的材料设计思路。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg4972

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