元素百科向您介绍西安交通大学的研究发现，“缺陷”可以使材料更加智能。在生活中，“缺陷”是不可避免的，构成世界万物基础的材料也是如此。一个理想状态的晶体，原子严格按照一定的顺序处于格点上，但在实践中，晶格经常偏离，称为“晶体缺陷”。Xi交通大学前沿院院长任晓兵团队用近15年的研究成果告诉人们，缺陷可以使材料更加智能化。
铁智能材料
铁智能材料是高科技、国防等重要领域所需的核心材料之一，主要包括三种类型:对温度和力做出反应的形状记忆合金、对电和温度做出反应的铁电压材料和对磁性做出反应的铁磁材料。在智能时代，对铁智能材料的性能提出了越来越高的要求。如何大大提高其性能？任晓兵团队从晶体缺陷入手，突破了这一基本热点问题的研究瓶颈。
“从某种意义上说，材料科学是缺陷科学。”任晓兵团队发现，在材料中添加适当的缺陷可能会带来戏剧性的性能变化。虽然晶体晶格不完美，但这种不完美使某些功能有了定性的飞跃。
早在20年前研究金属形状记忆合金时，任晓兵就发现金属橡胶弹性效应的背后是一种新颖的物理机制，这正是由缺陷引起的。他预测，这一原理的应用范围不仅应该是金属，还应该在另一种材料中产生类似的效果，而且应该具有新的特性。2002年，任晓兵回到母校西安交通大学担任“长江学者”讲座教授后，开始将这一原则应用于铁电压电材料的研究。
铁智能材料研究
随着研究的不断深入，团队提出了短程有序对称原理，调节了铁电材料性能的点缺陷，阐述了铁电材料时效现象的微观机制。该团队发现了40倍于传统电致应变的巨大可回应电致应变效应，为大大提高铁电材料的电致应变性能提供了新的思路。《自然-材料》杂志上有一篇文章评论说：“这种材料使用50年后， 最近才发现，这种奇怪的铁电和压电应变性能可能导致其新应用。”
锆钛酸铅陶瓷是世界上使用了半个世纪的核心压电材料，具有优异的压电性能，但对人体和环境非常有害。能否找到与之媲美的无铅压电材料？团队系统比较了铅和无铅材料的相图，发现铅材料有三相点，而无铅材料没有。若能通过缺陷调节设计出这一特性，无铅材料也有可能达到有铅材料的高性能。团队通过掺杂缺陷“逼迫”材料处于“骑墙”状态，对外部环境高度敏感，性能大大提高。
该团队提出了通过晶体缺陷浓度来调节铁智能材料性能的准同型边界理论，发现无铅压电材料中的压电系数超过锆钛酸铅的大压电效应。“该发现突破了无铅压电材料性能低的限制”，“为高性能无铅压电材料的发展开辟了新的方向”。
在形状记忆合金领域，微型设备越来越小，从微米逐渐缩小到纳米尺寸，但当材料生存相变到一定尺寸时，功能问题很大。在微纳米尺度下开发也具有超弹性的合金已成为一种迫切的需求。在分子动力学原理的帮助下，该团队利用晶体表面缺陷来调节材料的性能，使其在纳米尺度下仍然实现超弹性。
团队发现了铁智能材料序列参数通过晶体表面缺陷调节产生的类结构变形和可逆双晶变形效应，阐明了限制铁电存储器应用的膜厚效应和形状记忆合金领域半个世纪的问题——Niti系统多步相变的起源；还提出了“纳米弹簧”的新概念，发现金属纳米线高达30%的零滞后超弹性变形，为高性能微纳器件的开发提供了新的思路。亚洲材料的专题评论说：“这一发现与传统机制完全不同”，“它将导致纳米材料的其他新功能”，“近年来收集瞬时机械能的突破之一”。
“基础研究是对思维和视角的考验。”任晓兵说:“以前很多东西都是乱码的，只要找到线索，就能展现出来。我们的优势是跨学科。“这三种铁智能材料往往是物理学家、金属学家、陶瓷学家分别研究，由前沿学院、材料学院、科学学院、电气学院师生组成的跨学科团队从一开始就意识到这三种材料在物理上高度平行，在平行、类似的空白区域挖掘隐藏的机遇和价值。
