为压电材料穿上“智能宇航服”

任晓兵（左）和团队成员在实验室。受访者供图

■本报记者 李媛

蜜蜂大小的无人机穿梭探测，手术机器人在人体血管内精准巡航，新一代超声影像可捕捉细胞早期病变，虚拟现实交互拥有真实皮肤般触觉……

此前，由于缺少能够将“力”与“电”进行超高效、超灵敏转换的“超级材料”，这种科幻场景很难实现。如今，中国科学家将它变成了现实。

由浙江宁波甬江实验室上席研究员、西安交通大学讲座教授任晓兵领衔的联合团队，成功将一类经典且低成本的多晶压电陶瓷核心性能指标——压电系数，提升了近10倍，创制出前所未有的“超级压电陶瓷”。不仅如此，团队更开创了“主动压电器件”全新范式，使得这种材料能够在以往被视为“性能禁区”的理论极限区稳定工作。

这项近日在线发表于《科学》的突破性研究成果，被审稿人评价为一项“革命性发现”。它不仅刷新了一项世界纪录，更有望重塑高端传感器、精密驱动器、下一代智能交互系统等关键领域的技术格局。

从600到6850

压电材料是智能时代的关键功能材料之一，作为实现力-电信号转换的核心元件，被广泛应用于各类精密智能设备的底层架构。

压电材料是灵敏的“神经”，手机指纹识别中的触觉反馈、医疗超声探头探测的体内回波，都依赖它将机械或声学信号转换为电信号。它也是精密的“肌肉”，高端相机镜头的快速对焦、光刻机平台的纳米级位移，皆由它实现精准控制与驱动。

衡量材料“敏感度”与“驱动力”的核心参数是压电系数。这一数值越高，材料的力电耦合转换性能就越优异。然而，过去70余年，这项指标的提升几乎陷入停滞。

在主流陶瓷材料中，自20世纪50年代锆钛酸铅（PZT）多晶陶瓷问世以来，其性能始终定格在200~600皮库仑每牛顿区间，数十年未有实质性突破。而高端单晶材料方面，在上世纪80年代出现的弛豫铁电单晶虽然可将性能提升至2000皮库仑每牛顿量级，但成本高昂、稳定性差且机械脆弱，始终难以走向规模化应用。

如今，这一僵局被该团队彻底打破。

任晓兵团队基于廉价的多晶锆钛酸铅陶瓷，通过独创设计，成功研制出压电系数达6850皮库仑每牛顿的压电陶瓷材料。这一性能不仅是传统压电陶瓷的10至30倍，更显著超越了所有已知的顶级单晶材料。这标志着一种兼具超高性能与工程实用性的“超级压电陶瓷”正式诞生。

这项突破有望为下一代微型机器人、细胞级超声成像、高保真触觉交互等前沿领域提供关键材料支撑。其提出的主动压电器件新范式，也将为整个功能材料领域带来深远启示。

长达15年的探索

这一突破，源自团队对理论极限15年的执着探索。

2009年，任晓兵便在《物理评论快报》上提出前瞻性理论：在压电材料的相图多相交汇区域，存在一个“三临界点”，即热力学奇点。在该点附近，各相之间的能量壁垒趋于消失，材料对外部激励的响应理论上可接近无限大，堪称压电性能的“珠穆朗玛峰”。

然而，一个看似无解的困境使得该理论长期停留于猜想：这座“性能珠峰”的坐标，恰恰位于传统压电材料的“死亡温度”——居里温度上。这是因为传统压电材料需通过强电场进行极化，使内部偶极子排列一致以产生宏观响应；然而一旦温度接近居里温度，热扰动便会迅速破坏这种有序性，导致压电性能完全丧失。

因此，在长期的普遍认知中，这一热力学奇点被视为“理论上存在，工程上却无法实现”。

面对“接近性能极限即失效”的困境，任晓兵团队提出了颠覆性的逆向思路：能否设计一种方法，使材料在传统认知中的“失效温度”下不仅“存活”，还能高效工作。

为此，他们首次提出压电器件的“主动工作模式”，其核心在于两项关键调控技术：一是微区精准控温——通过集成局部热管理模块，将压电材料的工作温度精确稳定在理论奇点附近；二是偏置电场维持——施加一个微小而持续的约20伏每毫米偏置电场，以引导材料内部的电偶极子保持有序排列，从而抵消热扰动带来的性能退化。

任晓兵介绍：“这一机制可形象地比喻为攀登珠穆朗玛峰——不仅要选拔出具备卓越潜能的登山者，即高性能压电陶瓷，更需配备可靠的保温与供氧系统，确保在极端环境下持续发挥最佳状态。”

最终，基于此模式构建的主动压电器件，在室温至350摄氏度的宽温范围内，实现了压电系数>6000皮库仑每牛顿的稳定输出，且该性能理论上可进一步拓展至超低温或超高温环境。这直接回应了工程应用中最关键的挑战——在温度波动下保持性能稳定与长期运行可靠性。对于高温工业、航空航天等极端工况而言，“高灵敏度”与“高稳定性”缺一不可。

打造“宇航服系统”

传统的压电材料研发，如同在“舒适区”内精雕细琢，科学家竭力优化材料本身的性能，却难以克服其“怕冷畏热”的天性，一旦环境温度偏离室温，性能便大幅波动。而任晓兵团队开创的“主动工作模式”，则为超级材料穿上了“智能宇航服”——通过微区精准控温与施加微小偏置电场，像调节空间站环境一样，将材料动态稳定在最佳工作状态，从而在极端环境下依然能够保持卓越性能。

“这就像人体必须维持在37摄氏度左右才能正常活动一样。”论文共同第一作者、西安交通大学前沿科学技术研究院教授王栋形象地比喻道，“有了宇航服和空间站，人类就能在太空极端环境中长期工作，而新技术就相当于给超级压电材料打造了一套‘宇航服系统’。”

这种能够“主动适应环境”的智能器件，不仅实现了超高灵敏度，更具备了传统材料难以企及的环境稳定性。

“这一突破意味着，在高端传感器、精密驱动器、下一代超声成像、微型机器人、光刻机乃至太空探索装备等领域，我们有望获得一种全新的核心材料支撑。”论文共同第一作者、西安交通大学电气学院教授高景晖进一步解释，它就像信息时代的芯片、工业时代的钢铁，有望成为智能时代关键功能部件的基础元件，助力相关产业的技术升级与跨越发展。

相关论文信息：

https://doi.org//10.1126/science.aec5660