當(dāng)?shù)貢r間2026年1月29日，《科學(xué)》期刊在線發(fā)表了甬江實驗室上席研究員、西安交通大學(xué)講座教授任曉兵聯(lián)合團隊的突破性成果：他們將一類經(jīng)典且價格低廉的多晶壓電陶瓷核心性能指標(biāo)——壓電系數(shù)(d??)大幅提升超10倍，創(chuàng)制出“超級壓電陶瓷”，并開創(chuàng)了主動壓電器件新范式，讓材料穩(wěn)定工作在“性能珠峰”。該項研究被審稿人譽為“革命性發(fā)現(xiàn)”，有望重塑高端傳感、精密驅(qū)動與智能交互等方向的技術(shù)格局。
“超級壓電陶瓷”誕生：從600到6850pC/N！
壓電材料是智能時代關(guān)鍵功能材料之一，作為力電信號轉(zhuǎn)換的核心載體，廣泛應(yīng)用于各類精密智能設(shè)備的底層架構(gòu)：它是靈敏的“神經(jīng)”：手機指紋識別的瞬間、醫(yī)院B超探頭捕捉的體內(nèi)回響，都靠它把機械/聲學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號；它也是精密的“肌肉”：高端相機鏡頭自動對焦、光刻機實現(xiàn)納米級移動，都由它精準(zhǔn)驅(qū)動。
衡量這項“敏感”與“力量”的關(guān)鍵指標(biāo)，稱為壓電系數(shù)(d??)。這一數(shù)值越高，材料的力電耦合轉(zhuǎn)換性能越優(yōu)異。然而，過去70余年，這項指標(biāo)的發(fā)展幾乎陷入停滯：主流陶瓷：自20世紀(jì)50年代鋯鈦酸鉛(PZT)多晶陶瓷問世以來，其性能始終定格在200–600pC/N區(qū)間，數(shù)十年未有根本性突破；高端單晶：20世紀(jì)80年代弛豫壓電單晶出現(xiàn)，性能可達2000pC/N量級，但造價堪比黃金，且穩(wěn)定性差并極其脆弱，難以大規(guī)模應(yīng)用。
如今，僵局被徹底打破——
任曉兵團隊研制的基于廉價多晶鋯鈦酸鉛、但采用獨特“主動工作模式”的壓電陶瓷，其d??最高達到 6850pC/N。這一數(shù)值不僅是傳統(tǒng)壓電陶瓷的10–30倍，也顯著超越了所有已知的頂級單晶材料。這標(biāo)志著一類兼具超高性能與工程實用潛力的“超級壓電陶瓷”正式誕生。
具有超大壓電性能的主動模式QP陶瓷與傳統(tǒng)商用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷及鎂鈮酸鉛單晶（PMN-PT）的性能對比
這一成果的問世，有望為下一代微型機器人、細胞級超聲成像與高保真觸覺交互等方向提供關(guān)鍵材料支撐，其主動壓電器件新范式更將對功能材料領(lǐng)域產(chǎn)生深遠啟示。
理論珠峰與現(xiàn)實禁區(qū)：一個長達15年的猜想
這一突破，源于一場對理論極限長達15年的執(zhí)著探尋。
早在2009年，任曉兵已在國際物理期刊Physical Review Letters上提出前瞻理論：在壓電材料的相圖多相交匯處，存在一個 “三臨界點”(tricritical point)，即熱力學(xué)奇點。此處各相間能量壁壘消失，材料對外場的響應(yīng)理論上趨于無窮，堪稱性能的“珠穆朗瑪峰”。
PZT相圖（相場模擬結(jié)果）及各處的能壘示意圖。C/T/O/R分別代表立方相、四方相、正交相和菱方相。相圖中的四相點（quadruple point, QP）即為該體系中的三臨界點，在該點處各相間的能壘消失，對應(yīng)圖中光滑能量球面。
然而，一個“悖論”讓該理論長期停留在猜想階段：傳統(tǒng)壓電材料須依賴強電場極化，使內(nèi)部偶極子取向一致以產(chǎn)生宏觀響應(yīng)；但溫度一旦逼近居里溫度(Tc)，熱擾動會迅速打亂這種有序，壓電性能完全喪失。而這座“性能珠峰”的坐標(biāo)，偏偏落在Tc 處——傳統(tǒng)壓電材料的“死亡溫度”。
因此，在既有認知中，這個熱力學(xué)奇點被視為 “理論上可能存在，但實際上不可抵達的禁區(qū)”。
三臨界點（0.4PT）處的微觀結(jié)構(gòu)特征。在三臨界點處，由于能壘消失，各相可以同時存在，因此呈現(xiàn)出順電相（C）和不同鐵電相（T/O/R）共存的特征。
逆向破局：在“珠峰”建立營地
面對“一近巔峰就失效”的難題，任曉兵團隊做出了大膽的逆向思考：能否有一種方法，讓材料能在傳統(tǒng)的“死亡溫度”下“維持生命”并高效工作？
為此，他們首創(chuàng)了壓電器件的“主動工作模式”(active-mode)：內(nèi)置“智能溫控”：通過集成微區(qū)熱管理，將壓電材料溫度精確穩(wěn)定在理論奇點上；實時“壓電生命維護”：施加一個微小的偏置電場(約20V/mm)，持續(xù)引導(dǎo)材料內(nèi)部億萬電偶極子一致排列，抵消熱擾動的破壞。
這就像在珠穆朗瑪峰建立營地：先找到具有卓越能力的隊員(超級壓電陶瓷)，然后構(gòu)建強大的保溫與供氧系統(tǒng)，使隊員始終處于最佳狀態(tài)。
主動工作模式壓電調(diào)控技術(shù)原理框圖，及該模式下QP陶瓷的壓電系數(shù)在室溫至350C的超寬環(huán)境溫度內(nèi)保持穩(wěn)定。主動工作模式包含控溫模塊與偏壓模塊，可類比為攀登珠峰所需的保溫服和氧氣瓶。
最終，基于該模式的主動壓電器件在室溫至350C范圍內(nèi)保持d??>6000pC/N的穩(wěn)定輸出，且該性能原則上可延伸至極低溫或超高溫。這回應(yīng)了工程應(yīng)用最關(guān)心的問題：溫度波動下的穩(wěn)定性與長期運行可靠性。對于高溫工業(yè)環(huán)境與航空航天等極端工況，“強”與“穩(wěn)”缺一不可。
范式革命：從“優(yōu)化材料”到“設(shè)計狀態(tài)”
這項研究的深層意義遠超刷新一項世界紀(jì)錄，它意味著一場“范式革命”的發(fā)生：舊范式(被動材料)：竭力優(yōu)化材料本身，追求其在舒適區(qū)(如室溫)的固定高性能。但材料怕熱畏寒，性能隨環(huán)境波動；新范式(主動器件)：通過外部調(diào)控系統(tǒng)(溫度、電場)實時調(diào)節(jié)，將材料動態(tài)“鎖定”在最佳工作狀態(tài)，兼具高性能與更強的環(huán)境適應(yīng)性。
“就像人體正常體溫須維持在37℃左右，偏離一定范圍就會生病甚至喪失機能。但有了宇航服和空間站，即使在太空這樣的極端工況中，人類也能執(zhí)行各項任務(wù)。三臨界主動壓電器件也是如此——相當(dāng)于給材料穿上‘宇航服’，讓它穩(wěn)定發(fā)揮。”全新問世的“超級壓電陶瓷”，或?qū)⒊蔀楦叨藗鞲?、精密?qū)動與智能交互等領(lǐng)域重塑技術(shù)格局的關(guān)鍵底座。一個更靈敏、更精準(zhǔn)、更智能的未來，正加速走近。而這項歷時15年的工作，完成了從理論預(yù)言、材料創(chuàng)制到器件創(chuàng)新的全鏈條閉環(huán)。
本項研究由任曉兵教授率領(lǐng)的甬江實驗室-西安交大-日本國立物質(zhì)材料研究所(NIMS)聯(lián)合團隊完成。甬江實驗室郝彥雙研究員，日本NIMS的Dipak Kumar Khatua博士，西安交大前沿院王棟教授、電氣學(xué)院高景暉教授為共同第一作者；任曉兵教授、甬江實驗室任帥研究員與西安交通大學(xué)前沿院楊陽副教授為共同通訊作者。該項研究受到國家自然科學(xué)基金等多個項目支持。
