任曉兵團隊：「缺陷」，讓材料更智能

生活中，「缺陷」在所難免，構成世間萬物基礎的材料也是如此。

一個理想狀態的晶體，原子按照一定次序嚴格處在格點上，但實際中晶格往往會發生偏離，這種偏離被稱為「晶體缺陷」。

西安交通大學前沿院院長任曉兵教授團隊用一項歷時近十五年的研究成果告訴人們：缺陷，能夠讓材料更智能。

這個「基於晶體缺陷調控的鐵性智能材料新物理效應」項目，剛剛摘得2016年國家自然科學二等獎。

「人類社會正在高速進入智能時代，智能材料正是實現各種智能化功能的基礎和載體，我們研究的就是其中的鐵性智能材料。」任曉兵教授介紹說。

鐵性智能材料是高技術、國防等重要領域所需的核心材料之一，主要包括三類：對溫度、力產生響應的形狀記憶合金，對電、溫度產生響應的鐵電壓電材料，對磁產生響應的鐵磁材料等。智能時代對鐵性智能材料的性能提出了越來越高的要求，如何大幅提高其性能？任曉兵教授團隊從晶體缺陷入手，突破了這一基礎性熱點難題的研究瓶頸。

「從某種意義上來說，材料科學就是缺陷的科學。」任曉兵教授團隊發現，在材料中摻入合適的缺陷，可能會帶來戲劇性的性能變化。儘管晶體的晶格產生了不完美，但這種不完美卻使得某些功能產生了質的飛躍。

早在20年前研究金屬形狀記憶合金時，任曉兵教授就發現金屬橡皮彈性效應的背後是一種新奇的物理機制在起作用，這恰好就是由於缺陷引起的。他預測，這個原理的應用範圍應不僅是金屬，也許會在另一類材料中出現類似的效應，但是會有新特點。2002年，任曉兵教授回到母校西安交通大學擔任「長江學者」講座教授，就開始將這一原理應用在鐵電壓電材料研究。

隨著研究的不斷深入，團隊提出了調控鐵電材料性能的點缺陷短程有序對稱性原理，闡明了60年來鐵電領域的難題——鐵電材料時效現象的微觀機理。團隊發現了鐵電材料中40倍於傳統電致應變的巨大可回複電致應變效應，為大幅度提高鐵電材料的電致應變性能提供了新思路。Nature Materials有文章這樣評價：「這種材料在使用50年後, 最近才發現這一可能導致其全新應用的奇異鐵電和壓電應變性能。」

「壓電陶瓷之王」鋯鈦酸鉛陶瓷是在全世界使用了長達半個世紀的核心壓電材料，壓電性能優異，但是對人體和環境十分有害。能否找到一種與之相媲美的無鉛壓電材料？團隊系統對比了有鉛、無鉛兩種材料的相圖發現，有鉛材料擁有三相點，而無鉛則沒有。如果能夠通過缺陷調控設計出這個特點，無鉛材料也有可能達到有鉛材料的高性能。團隊通過摻雜缺陷「逼迫」材料處於「騎牆」狀態，對外場環境高度敏感，性能也因此大大提升。

團隊提出這一通過晶體點缺陷濃度來調控鐵性智能材料性能的准同型相界理論，並且在無鉛壓電材料中發現了壓電係數超過鋯鈦酸鉛的大壓電效應。Nature Materials及NPG Asia Materials專題評論稱：「該發現突破了無鉛壓電材料性能低的制約」，「為高性能無鉛壓電材料的開發開闢了新方向」。

在形狀記憶合金領域，微型器件越做越小，從微米逐漸往納米尺度縮小，但材料賴以生存的相變到一定尺寸時就沒有了，功能性隨之出現很大問題。研發微納米尺度下同樣具有超彈性的合金成為急迫需求。團隊藉助分子動力學原理，利用晶體的面缺陷調控材料性能，使之在納米尺度下依然實現了超彈性。

團隊發現了這一通過晶體面缺陷調控鐵性智能材料序參量所產生的疇結構轉變及可逆孿晶變形效應，闡明了制約鐵電存儲器應用的膜厚效應和形狀記憶合金領域長達半世紀的難題——NiTi體系的多步相變的起源；還提出了「納米彈簧」新概念，發現金屬納米線高達30%的零滯後超彈性形變，為開發高性能微納器件提供了新思路。 NPG Asia Materials的專題評論及Nano Energy文章稱：「該發現與傳統機制完全不同」、「將導致納米材料其它新功能的出現」，「是近年來收集瞬時機械能的突破性工作之一」。

「基礎研究非常考驗思維和視角」，任曉兵教授說，「很多東西以前在亂碼里，只要找到頭緒，就可以將其展現出來，我們的優勢就是跨學科。」這三類鐵性智能材料很多時候是物理學家、金屬學家、陶瓷學家分頭在研究，而這個由來自前沿院、材料學院、理學院和電氣學院師生組成的跨學科團隊從一開始就意識到這三類材料在物理上是高度平行的，並在其中平行性、類似性的空白地帶挖掘到隱藏的機遇和價值。

該項目20篇核心論文發表在Nature Materials、 Physical Review Letters、 Nano Letters等國際一流期刊，被來自57個國家836個研究機構的作者在268種期刊廣泛引用，其中SCI他引1710餘次，8篇代表論文SCI他引1370餘次；做國際會議大會報告及邀請報告30次，產生了重要的國際學術影響。2篇代表性論文入選ESI資料庫高被引論文，其中1篇入選「中國百篇最具影響國際學術論文」。研究成果4次被Nature Materials、 NPG Asia Materials等專題正面評論，並被編入兩部美國科學家編寫的學術專著；獲得了美國工程院院士、英國皇家學會院士、歐洲科學院院士、 IEEE Fellow等該領域國際權威學者和同行的高度評價。部分研究成果獲得教育部自然科學一等獎。團隊中的青年師生也在項目的錘鍊下不斷成長：一名青年教師入選教育部長江學者，兩名教師獲得國家基金委優秀青年基金資助，一篇博士論文獲得全國百優博士論文提名。

「這只是新的開始，我相信今後還會有更多有意思的發現。」對於未來，任曉兵教授充滿信心。