陶瓷基形狀記憶材料

朱崇愷

氧化鋯陶瓷材料的原子結構

最近，權威雜志《自然》發表了麻省理工學院材料科學與工程系的科斯利托夫教授的新論文，他提出用陶瓷制成新型形狀記憶材料，而非金屬。

形狀記憶材料是一種智能材料，加熱可以觸發它的變形功能——從一種形狀恢復為另一種形狀。

他解釋說，形狀記憶材料本身有兩種不同的形狀，通過刺激，可以觸發切換。這些“刺激”包括溫度、機械應力、電場或磁場——以施加力的方式使材料轉換形狀。“之前的形狀記憶材料都是基于金屬材質制作的，”克里斯托夫說，“如果在原子水平上改變材料的形狀，就會對材料產生很多損害。原子必須重新洗牌，改變它們的結構，隨著原子的移動，它們很容易進入錯誤的位置，從而產生缺陷，損壞材料。”

金屬的延展性很強，因此它們的抗損壞性更強。相比之下，陶瓷不會像金屬一樣彎曲變形，而是會受力斷裂，抗損能力要次于金屬。“這項工作想要做的是設計一種新的陶瓷，其形狀在宏觀上仍然可以轉換，但在材料內部，在原子尺度，更溫和。”

研究的結果是得到了氧化鋯的新變種，并在結構中引入了一些不同的元素。這些元素“溶解”在晶格中，使之在原子尺度上更加柔和。其原子結構有兩種不同的排列方式。諸如溫度變化之類的外部刺激，可以觸發材料的形狀轉變——從一種形狀轉變為另一種形狀。