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來(lái)自明尼蘇達(dá)大學(xué)雙城分校和德國(guó)基爾大學(xué)的一個(gè)國(guó)際研究小組發(fā)現(xiàn)了一條可以讓陶瓷材料形狀發(fā)生變化的途徑。這一發(fā)現(xiàn)可以大大改善這種材料從醫(yī)療設(shè)備到電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。這項(xiàng)研究已發(fā)表在世界領(lǐng)先的多學(xué)科科學(xué)雜志《Nature》上。
曾經(jīng)把咖啡杯掉在地上，看著它摔成碎片的人都知道陶瓷是易碎的。只要稍有變形，它們就會(huì)破碎。然而，陶瓷不僅僅用于餐具和浴室瓷磚，它們還用于電子產(chǎn)品，因?yàn)楦鶕?jù)它們的成分，它們可以是半導(dǎo)體、超導(dǎo)、鐵電或絕緣的。陶瓷也無(wú)腐蝕性，可用于制造多種產(chǎn)品，包括火花塞、光纖、醫(yī)療設(shè)備、航天飛機(jī)用瓷磚、化學(xué)傳感器和滑雪板等。
在材料光譜的另一端是形狀記憶合金。它們是已知的一些最易變形或可重塑的材料。形狀記憶合金在用作醫(yī)療支架時(shí)就憑借著這種巨大的可變形性，它也是雙子城地區(qū)和德國(guó)充滿活力的醫(yī)療器械行業(yè)的支柱。
這種變形行為的起源是固-固相變。與結(jié)晶-熔融-再結(jié)晶過(guò)程不同，結(jié)晶-固-固轉(zhuǎn)變僅在固態(tài)時(shí)發(fā)生。通過(guò)改變溫度（或壓力），一種晶體固體可以轉(zhuǎn)變成另一種晶體固體而不需要變成液相。
在這項(xiàng)新的研究中，生產(chǎn)可逆形狀記憶陶瓷的方法一點(diǎn)也不簡(jiǎn)單。研究人員首先嘗試了一種新的金屬形狀記憶材料的配方。這需要通過(guò)成分變化對(duì)原子之間的距離進(jìn)行微調(diào)，從而使兩種相很好地結(jié)合在一起。他們采用了這一配方，但沒有改善陶瓷的變形能力，而是觀察到一些試樣在通過(guò)相變時(shí)發(fā)生了爆炸。其他則逐漸分解成一堆粉末，他們稱之為“哭泣”現(xiàn)象。
對(duì)于另一種成分，他們觀察到可逆轉(zhuǎn)變，很容易在相之間來(lái)回轉(zhuǎn)變，很像形狀記憶材料?？赡嫦嘧儼l(fā)生的數(shù)學(xué)條件可以得到廣泛應(yīng)用，并為具有形狀記憶的特殊陶瓷的發(fā)展提供了一條道路。
“我們對(duì)我們的研究結(jié)果感到非常驚訝。形狀記憶陶瓷將是一種全新的功能材料，”該研究的論文合著者、明尼蘇達(dá)大學(xué)宇航工程力學(xué)系的杰出麥克奈特大學(xué)教授Richard James說(shuō)?！叭藗兎浅Ｐ枰軌蛟诟邷鼗蚋g性環(huán)境中工作的形狀記憶材料。但最讓我們興奮的是新型鐵電陶瓷的前景。在這些材料中，相變可用于利用微小的溫差發(fā)電?！?/p>
來(lái)自德國(guó)的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)部分以及納米級(jí)的化學(xué)和結(jié)構(gòu)研究。
“為了解釋我們的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與預(yù)期相反，陶瓷是極不相容的，會(huì)爆炸或腐爛，與明尼蘇達(dá)大學(xué)RichardJames小組的合作非常有價(jià)值，”該研究的論文合著者、德國(guó)基爾大學(xué)材料科學(xué)研究所教授EckhardQuandt表示?！霸诖嘶A(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的理論不僅描述了這種行為，而且還展示了獲得所需兼容形狀記憶陶瓷的方法?！?/p>
James也強(qiáng)調(diào)了明尼蘇達(dá)大學(xué)與基爾大學(xué)合作的重要性。
James補(bǔ)充道：“我們與基爾大學(xué)EckhardQuandt小組的合作非常富有成效。在所有這些合作中，我們可以就許多重復(fù)部分進(jìn)行很好地溝通，但每個(gè)小組都帶來(lái)了大量的想法和技術(shù)，擴(kuò)大了我們的集體發(fā)現(xiàn)的能力?！?/p>
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