蜜蜂大小的无人机穿梭探测，手术机器人在血管中巡游作业，可捕捉细胞早期病变的新一代B超，拥有真实触觉反馈的VR世界……这些科幻场景的实现，关键卡点之一在于缺少一种能把“力”与“电”进行超高效、超灵敏转换的“超级压电陶瓷”。而如今，中国科研团队给出了答案——
当地时间2026年1月29日，《科学》期刊在线发表了甬江实验室上席研究员、西安交通大学讲座教授任晓兵联合团队的突破性成果：他们将一类经典且价格低廉的多晶压电陶瓷核心性能指标——压电系数（d₃₃）大幅提升超10倍，创制出“超级压电陶瓷”，并开创了主动压电器件新范式，让材料稳定工作在“性能珠峰”。该项研究被审稿人誉为“革命性发现”，有望重塑高端传感、精密驱动与智能交互等方向的技术格局。
“超级压电陶瓷”诞生：从600到6850pC/N！
压电材料是智能时代关键功能材料之一，作为力电信号转换的核心载体，广泛应用于各类精密智能设备的底层架构：它是灵敏的“神经”：手机指纹识别的瞬间、医院B超探头捕捉的体内回响，都靠它把机械/声学信号转换为电信号；它也是精密的“肌肉”：高端相机镜头自动对焦、光刻机实现纳米级移动，都由它精准驱动。
衡量这项“敏感”与“力量”的关键指标，称为压电系数（d₃₃）。这一数值越高，材料的力电耦合转换性能越优异。然而，过去70余年，这项指标的发展几乎陷入停滞：主流陶瓷：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200–600pC/N区间，数十年未有根本性突破；高端单晶：20世纪80年代弛豫压电单晶出现，性能可达2000pC/N量级，但造价堪比黄金，且稳定性差并极其脆弱，难以大规模应用。
如今，僵局被彻底打破——
任晓兵团队研制的基于廉价多晶锆钛酸铅、但采用独特“主动工作模式”的压电陶瓷，其d₃₃最高达到 6850pC/N。这一数值不仅是传统压电陶瓷的10–30倍，也显著超越了所有已知的顶级单晶材料。这标志着一类兼具超高性能与工程实用潜力的“超级压电陶瓷”正式诞生。
具有超大压电性能的主动模式QP陶瓷与传统商用锆钛酸铅压电陶瓷及镁铌酸铅单晶（PMN-PT）的性能对比
这一成果的问世，有望为下一代微型机器人、细胞级超声成像与高保真触觉交互等方向提供关键材料支撑，其主动压电器件新范式更将对功能材料领域产生深远启示。
理论珠峰与现实禁区：一个长达15年的猜想
这一突破，源于一场对理论极限长达15年的执着探寻。
原文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.257602
早在2009年，任晓兵已在国际物理期刊Physical Review Letters上提出前瞻理论：在压电材料的相图多相交汇处，存在一个 “三临界点”（tricritical point），即热力学奇点。此处各相间能量壁垒消失，材料对外场的响应理论上趋于无穷，堪称性能的“珠穆朗玛峰”。
PZT相图（相场模拟结果）及各处的能垒示意图。C/T/O/R分别代表立方相、四方相、正交相和菱方相。相图中的四相点（quadruple point, QP）即为该体系中的三临界点，在该点处各相间的能垒消失，对应图中光滑能量球面。
然而，一个“悖论”让该理论长期停留在猜想阶段：传统压电材料须依赖强电场极化，使内部偶极子取向一致以产生宏观响应；但温度一旦逼近居里温度（Tc），热扰动会迅速打乱这种有序，压电性能完全丧失。而这座“性能珠峰”的坐标，偏偏落在Tc 处——传统压电材料的“死亡温度”。
因此，在既有认知中，这个热力学奇点被视为 “理论上可能存在，但实际上不可抵达的禁区”。
三临界点（0.4PT）处的微观结构特征。在三临界点处，由于能垒消失，各相可以同时存在，因此呈现出顺电相（C）和不同铁电相（T/O/R）共存的特征。
逆向破局：在“珠峰”建立营地
面对“一近巅峰就失效”的难题，任晓兵团队做出了大胆的逆向思考：能否有一种方法，让材料能在传统的“死亡温度”下“维持生命”并高效工作？
为此，他们首创了压电器件的“主动工作模式”（active-mode）：内置“智能温控”：通过集成微区热管理，将压电材料温度精确稳定在理论奇点上；实时“压电生命维护”：施加一个微小的偏置电场（约20V/mm），持续引导材料内部亿万电偶极子一致排列，抵消热扰动的破坏。
这就像在珠穆朗玛峰建立营地：先找到具有卓越能力的队员（超级压电陶瓷），然后构建强大的保温与供氧系统，使队员始终处于最佳状态。
主动工作模式压电调控技术原理框图，及该模式下QP陶瓷的压电系数在室温至350C的超宽环境温度内保持稳定。主动工作模式包含控温模块与偏压模块，可类比为攀登珠峰所需的保温服和氧气瓶。
最终，基于该模式的主动压电器件在室温至350C范围内保持d₃₃>6000pC/N的稳定输出，且该性能原则上可延伸至极低温或超高温。这回应了工程应用最关心的问题：温度波动下的稳定性与长期运行可靠性。对于高温工业环境与航空航天等极端工况，“强”与“稳”缺一不可。
范式革命：从“优化材料”到“设计状态”
这项研究的深层意义远超刷新一项世界纪录，它意味着一场“范式革命”的发生：旧范式（被动材料）：竭力优化材料本身，追求其在舒适区（如室温）的固定高性能。但材料怕热畏寒，性能随环境波动；新范式（主动器件）：通过外部调控系统（温度、电场）实时调节，将材料动态“锁定”在最佳工作状态，兼具高性能与更强的环境适应性。
“就像人体正常体温须维持在37℃左右，偏离一定范围就会生病甚至丧失机能。但有了宇航服和空间站，即使在太空这样的极端工况中，人类也能执行各项任务。三临界主动压电器件也是如此——相当于给材料穿上‘宇航服’，让它稳定发挥。”全新问世的“超级压电陶瓷”，或将成为高端传感、精密驱动与智能交互等领域重塑技术格局的关键底座。一个更灵敏、更精准、更智能的未来，正加速走近。而这项历时15年的工作，完成了从理论预言、材料创制到器件创新的全链条闭环。
本项研究由任晓兵教授率领的甬江实验室-西安交大-日本国立物质材料研究所（NIMS）联合团队完成。甬江实验室郝彦双研究员，日本NIMS的Dipak Kumar Khatua博士，西安交大前沿院王栋教授、电气学院高景晖教授为共同第一作者；任晓兵教授、甬江实验室任帅研究员与西安交通大学前沿院杨阳副教授为共同通讯作者。该项研究受到国家自然科学基金等多个项目支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660
