100多年来的重大突破！中国研发新型压电材料，再次遥遥领先？
100多年来的重大突破！中国研发新型压电材料，再次遥遥领先？
2024年3月29日，我国科学家宣布研发出一种新型压电材料，这是自1880年以来压电领域最大的一次技术突破。这种新材料不仅具备传统压电材料的优异性能，还具有可生物降解的特性，为医疗植入式设备带来了革命性的变化。
什么是压电效应？
要了解这种新型压电材料，首先要明白什么是压电效应。早在19世纪，居里兄弟就发现，对一些晶体材料施加压力后能产生电荷。
受力方向一致时，这一作用产生的形变会在其内部生成极化现象。撤销外力后，这一现象消失。这被称为正压电效应，相对的则称为逆压电效应。
用一个形象的比喻，压电效应就像一种信号的有效传输。比如按下煤气灶的开关就会有火，或是其他传感器设备，都是压电效应的实际应用。
压电材料的发展历程
并不是所有材料都能通过施加压力产生电，而且不同材料产生的效果也不同。一个多世纪以来，科学家一直在寻找更优秀的压电材料。
最早实验中使用的电气石、罗谢尔盐、石英等天然单晶材料，其产生的压电效应较小。后来发现的锆钛酸铅、钛酸钡等多晶铁电陶瓷能产生更高的电压。
目前广泛应用的锆钛酸铅压电陶瓷材料，通过添加镍、铋、钕、铌等特殊物质，可以优化压电和介电参数。这类材料需要具备以下特性：
- 一定的强度和刚度，以承受多次按压
- 较高的压电常数（不低于D33）
- 高电阻率和介电常数
- 强环境适应性，工作温度范围宽
- 长时间稳定性
压电材料的应用领域
压电材料的应用非常广泛，从日常生活到医疗领域都有重要用途。
家用电器
家里用的电磁炉开关，每天按压数次，一年可达数千次。这种开关背后就存在压电效应，使用了压电材料。如果材料不够好，可能很快就会失效。
医疗设备
医疗设备对压电材料的要求更高。例如，呼吸机上的压电阀利用压电效应，可以精准控制氧气供给，且全程静音。
疫情期间，口罩生产达到超负荷状态，自动化口罩机在焊接环节也使用了压电材料。心电监测仪器的核心元器件同样离不开压电材料。
新型可生物降解压电材料
2024年3月底，东南大学研究人员在《科学》期刊上发表了一项重要成果：他们开发出一种具备可生物降解特性的有机铁电晶体材料。
这种新材料解决了传统压电材料在医疗植入式设备中的难题。此前，植入体内的压电陶瓷或聚合物材料无法降解，过期后需要手术移除，增加了患者风险。
研究人员通过合成，找到了一种分子铁电材料。这种材料不仅轻量化、易于加工，还兼具优异的压电性能和生物相容性。未来，这种材料将广泛应用于起搏器、人工耳蜗等植入式设备。
植入式设备的工作原理
植入式设备除了材料本身，还需要完成数据的传送。研究人员发现，人体细胞通过离子交换进行沟通，于是设计了一种新的数据传输技术。
设备植入体内后，通过电极将数据编码为电脉冲，存在于人体离子中。体外放置一对电极，就能接收内部信息并解码生成可见数据。这种传输方式不受植入深度影响，即使超过10公分也能正常工作。
结语
压电效应和压电材料的研究，一直是围绕其综合性能的提升。中国科学家的这项突破性成果，不仅体现了科技创新的力量，也为医疗领域带来了新的希望。随着技术的不断进步，人类生活将发生更多日新月异的变化。