【儀表網 研發快訊】蜜蜂大小的無人機穿梭探測，手術機器人在血管中巡游作業，可捕捉細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，關鍵卡點之一在于缺少一種能把“力”與“電”進行超高效、超靈敏轉換的“超級壓電陶瓷”。而如今，中國科研團隊給出了答案。
當地時間2026年1月29日，《科學》期刊在線發表了甬江實驗室上席研究員、西安交通大學講座教授任曉兵聯合團隊的突破性成果：他們將一類經典且價格低廉的多晶壓電陶瓷核心性能指標——壓電系數(d??)大幅提升超10倍，創制出“超級壓電陶瓷”，并開創了主動壓電器件新范式，讓材料穩定工作在“性能珠峰”。該項研究被審稿人譽為“革命性發現”，有望重塑高端傳感、精密驅動與智能交互等方向的技術格局。
“超級壓電陶瓷”誕生：從600到6850pC/N！
壓電材料是智能時代關鍵功能材料之一，作為力電信號轉換的核心載體，廣泛應用于各類精密智能設備的底層架構：它是靈敏的“神經”：手機指紋識別的瞬間、醫院B超探頭捕捉的體內回響，都靠它把機械/聲學信號轉換為電信號；它也是精密的“肌肉”：高端相機鏡頭自動對焦、光刻機實現納米級移動，都由它精準驅動。
衡量這項“敏感”與“力量”的關鍵指標，稱為壓電系數(d??)。這一數值越高，材料的力電耦合轉換性能越優異。然而，過去70余年，這項指標的發展幾乎陷入停滯：主流陶瓷：自20世紀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區間，數十年未有根本性突破；高端單晶：20世紀80年代弛豫壓電單晶出現，性能可達2000pC/N量級，但造價堪比黃金，且穩定性差并極其脆弱，難以大規模應用。
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。這一數值不僅是傳統壓電陶瓷的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鍵材料支撐，其主動壓電器件新范式更將對功能材料領域產生深遠啟示。
理論珠峰與現實禁區：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)，即熱力學奇點。此處各相間能量壁壘消失，材料對外場的響應理論上趨于無窮，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：傳統壓電材料須依賴強電場極化，使內部偶極子取向一致以產生宏觀響應；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，偏偏落在Tc 處——傳統壓電材料的“死亡溫度”。
因此，在既有認知中，這個熱力學奇點被視為 “理論上可能存在，但實際上不可抵達的禁區”。
三臨界點（0.4PT）處的微觀結構特征。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，讓材料能在傳統的“死亡溫度”下“維持生命”并高效工作？
為此，他們首創了壓電器件的“主動工作模式”(active-mode)：內置“智能溫控”：通過集成微區熱管理，將壓電材料溫度精確穩定在理論奇點上；實時“壓電生命維護”：施加一個微小的偏置電場(約20V/mm)，持續引導材料內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)，然后構建強大的保溫與供氧系統，使隊員始終處于最佳狀態。
主動工作模式壓電調控技術原理框圖，及該模式下QP陶瓷的壓電系數在室溫至350C的超寬環境溫度內保持穩定。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范圍內保持d??>6000pC/N的穩定輸出，且該性能原則上可延伸至極低溫或超高溫。這回應了工程應用最關心的問題：溫度波動下的穩定性與長期運行可靠性。對于高溫工業環境與航空航天等極端工況，“強”與“穩”缺一不可。
范式革命：從“優化材料”到“設計狀態”
這項研究的深層意義遠超刷新一項世界紀錄，它意味著一場“范式革命”的發生：舊范式(被動材料)：竭力優化材料本身，追求其在舒適區(如室溫)的固定高性能。但材料怕熱畏寒，性能隨環境波動；新范式(主動器件)：通過外部調控系統(溫度、電場)實時調節，將材料動態“鎖定”在最佳工作狀態，兼具高性能與更強的環境適應性。
“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，人類也能執行各項任務。三臨界主動壓電器件也是如此——相當于給材料穿上‘宇航服’，讓它穩定發揮。”全新問世的“超級壓電陶瓷”，或將成為高端傳感、精密驅動與智能交互等領域重塑技術格局的關鍵底座。一個更靈敏、更精準、更智能的未來，正加速走近。而這項歷時15年的工作，完成了從理論預言、材料創制到器件創新的全鏈條閉環。
本項研究由任曉兵教授率領的甬江實驗室-西安交大-日本國立物質材料研究所(NIMS)聯合團隊完成。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基金等多個項目支持。
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