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蜜蜂大小的無人機(jī)穿梭探測，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，擁有真實觸覺反饋的VR世界……這些科幻場景的實現(xiàn)，長期以來都卡在一個關(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“超級壓電陶瓷”。如今，中國科研團(tuán)隊給出了突破性的答案。

1月29日，《科學(xué)》期刊在線發(fā)表了一項來自中國科研團(tuán)隊的里程碑式成果。西安交通大學(xué)講座教授、甬江實驗室上席研究員任曉兵領(lǐng)銜的甬江實驗室-西安交大聯(lián)合團(tuán)隊創(chuàng)制出“超級壓電陶瓷”，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)域長達(dá)70余年的性能停滯。這項研究不僅實現(xiàn)了材料性能的飛躍，更開創(chuàng)了主動壓電器件的新范式，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年那個大膽的猜想。時任西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院院長的任曉兵在國際物理期刊上提出，在壓電材料的相圖多相交匯處，存在一個“三臨界點”，此處各相間能量壁壘消失，材料響應(yīng)理論上趨于無窮。“這就像是壓電性能的‘珠穆朗瑪峰’?！比螘员@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，這個溫度是壓電材料的“死亡溫度”，一旦接近，熱擾動就會迅速打亂材料內(nèi)部的有序結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓電性能完全喪失。“我們發(fā)現(xiàn)了一座金礦，卻發(fā)現(xiàn)一靠近它就會死亡?！比螘员谋扔鞯莱隽诉@個領(lǐng)域的長期悖論。

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

“就像在珠穆朗瑪峰建立營地。”任曉兵解釋說，“我們不僅需要優(yōu)秀的登山隊員，更需要一套強(qiáng)大的生命支持系統(tǒng)?！毖芯繄F(tuán)隊為壓電材料構(gòu)建了這樣的系統(tǒng)：通過集成微區(qū)熱管理技術(shù)將材料溫度精確穩(wěn)定在理論奇點，同時施加微小偏置電場，持續(xù)引導(dǎo)材料內(nèi)部億萬電偶極子有序排列，抵消熱擾動的破壞。

這一創(chuàng)新讓不可能變?yōu)榭赡堋；诹畠r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皮庫侖/牛頓，一舉躍升至6850皮庫侖/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6000皮庫侖/牛頓的高性能輸出。

一場深刻的范式變革

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

過去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)思路就像期待運動員在任何環(huán)境下都能跑出最好成績?！比螘员f，“而我們的新范式，是為運動員提供最適合的比賽環(huán)境?！毖芯繄F(tuán)隊開創(chuàng)的“主動工作模式”，正是通過外部調(diào)控系統(tǒng)，將材料動態(tài)“鎖定”在最佳工作狀態(tài)，實現(xiàn)高性能與強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的統(tǒng)一。

這一轉(zhuǎn)變帶來了革命性的成果。相比于傳統(tǒng)壓電陶瓷性能長期停滯在200—600皮庫侖/牛頓區(qū)間，高端單晶雖能達(dá)到2000皮庫侖/牛頓量級但“造價堪比黃金、穩(wěn)定性差并極其脆弱”，任曉兵表示，新創(chuàng)制的“超級壓電陶瓷”不僅性能大幅超越，更具備工程實用所需的穩(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?！比螘员眠@個生動的比喻闡釋新范式的核心思想，“三臨界主動壓電器件就是給超級材料穿上了‘智能宇航服’，讓它能在極端工況下穩(wěn)定發(fā)揮。”

這項歷時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“超級壓電陶瓷”的問世，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)胞級超聲成像到高保真觸覺交互，這些技術(shù)的實現(xiàn)步伐將大幅加快。