陶瓷基形狀記憶材料

朱崇愷

氧化鋯陶瓷材料的原子結(jié)構(gòu)

最近，權(quán)威雜志《自然》發(fā)表了麻省理工學(xué)院材料科學(xué)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(fā)它的變形功能——從一種形狀恢復(fù)為另一種形狀。

他解釋說(shuō)，形狀記憶材料本身有兩種不同的形狀，通過(guò)刺激，可以觸發(fā)切換。這些“刺激”包括溫度、機(jī)械應(yīng)力、電場(chǎng)或磁場(chǎng)——以施加力的方式使材料轉(zhuǎn)換形狀。“之前的形狀記憶材料都是基于金屬材質(zhì)制作的，”克里斯托夫說(shuō)，“如果在原子水平上改變材料的形狀，就會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生很多損害。原子必須重新洗牌，改變它們的結(jié)構(gòu)，隨著原子的移動(dòng)，它們很容易進(jìn)入錯(cuò)誤的位置，從而產(chǎn)生缺陷，損壞材料。”

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

研究的結(jié)果是得到了氧化鋯的新變種，并在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)材料的形狀轉(zhuǎn)變——從一種形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形狀。