压它一下就来电，通上电还会自己动，这块“石头”到底什么来头？
中科院物理所 · 科学与科普
李飞 2026-11-05 13:43 北京 以下文章来源于：格致论道讲坛 格致论道讲坛 中国科学院全力推出的科学文化讲坛，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。 压它一下就来电，通上电还会自己动，这块“石头”到底什么来头？ 出品:"格致论道讲坛"公众号(ID:SELFtalks) 这个实验看上去并不复杂， 数据看上去也不是那么的多， 为什么你是第一个发现的？ 什么是一“压”就来电的智能材料？就是具有压电效应的材料。 压电效应 最早是在1880年由居里兄弟在石英晶体中发现的。居里兄弟中的弟弟就是我们熟知的居里夫人的丈夫。 ▲ 居里兄弟 具体而言，就是给石英晶体加上一个力，比如敲它一下，它就会形成电场，产生能被接收到电荷，这个就叫 正压电效应 。实际上我们用到的按压式打火机就利用了这个原理。 ▲ 正压电效应：力 →电 反过来，如果给石英晶体加一个电场，它就会产生应变或者振动，这个就叫 逆压电效应 。这样看来，压电材料本质上就是一种 能够实现机械能与电能转换的智能材料 。 ▲ 逆压电效应：电 →力 给轮船当“眼睛”的压电材料 已完成：10% / / ////// / / 在压电材料被发现之初，人们并不知道它有什么用。一直到上世纪初，海洋运输变得越来越重要，人们才开始应用压电材料。 当时我们人类怎么保证海洋运输的安全呢？其实我们用到了一个最简单的方法，就是把轮船造得越大越好，这样就可以抵御海上的风浪，避免沉船。 我们都听过泰坦尼克号的故事，许多人也都看过《泰坦尼克号》的电影。泰坦尼克号是当时世界上最大的邮轮，但是 它在第一次出海时，就因撞到水下的冰山而不幸沉船，导致 1500多人遇难，这也是人类历史上最大的海难之一。于是，人们开始意识到， 我们的轮船不仅需要大，同时还需要一双能够探查水下环境的 “眼睛”。 在日常生活中，我们通常用光波或者说电磁波来探测空气中的物体。但是 在水下，电磁波的传播距离非常有限 。那应该如何探测水下的物体呢？要用 声波 。由此，压电材料第一次登上了历史舞台。 很快，法国科学家朗之万先生就发明了 第一台主动声纳 。朗之万就是居里兄弟中哥哥的学生。 声纳的原理其实非常简单。 我们给一个压电材料加上一个电场，就会产生声波。 声波发出以后打在目标物体上，目标物体就会产生回波。然后我们就能通过正压电效应接收回波，再转化成感应电信号。通过这样的过程，我们就能探测到水下物体的位置。 除了声纳以外，现在压电材料在我们生活中还有非常多的应用。比如大家比较熟悉的医疗超声，B超仪就跟声纳的原理非常相似，因为人体的70%是由水构成的。 ▲ 左上：深海通讯、海底观测网 右上：医疗超声诊断与治疗 左下：精密制造 右下：深空探测 压电性能卓越的弛豫铁电单晶 已完成：30% / / / / ////// 正因为压电材料这么重要，我们才一直在不断探索和研发新的压电材料来满足应用的需求。 在 过去 100多年时间里，材料的压电系数由之前每牛顿几个皮库提升到现在每牛顿几千皮库。 为什么我们要提升压电系数呢 ？因为压电材料的系数越高，用它制作的声纳的 探测距离就会越远，用它制作的 B超的精度就有可能更高。 大家注意，下图红框中的压电材料实际上都属于 铁电材料 。而我今天要讲的是一类目前压电性能最高的材料： 弛豫铁电单晶 。 ▲李飞等, 压电效应—— 百岁铁电的守护者 , 物理学报, 69, 217703 (2020) Zhang S & Li F. J Appl Phys, 111, 031301 (2012) 在介绍弛豫铁电单晶之前，笔者想先介绍一下铁电晶体的概念。 大家知道， 晶体由许许多多的晶胞构成 ，晶胞是晶体结构的基本单元。对于普通的、非铁电的晶体来说，晶胞中的正电荷中心和负电荷中心是完全重合的，对外不显电性。而 铁电晶体的晶胞的正电荷中心和负电荷中心不重合 ，所以就会产生一个 极化矢量 ，我在图中用箭头来表示。 极化矢量的大小是 。 矢量的方向就是正负电荷之间的位移 。 铁电晶体的极化矢量在每个晶胞中都是有序排列的。这是一张电镜照片，我们可以看到真实的铁电晶体的极化矢量是完全有序的排列。 而 弛豫铁电单晶 是铁电晶体的一个分支 。它和铁电晶体相同的一点是，它的每个晶胞也有极化矢量。但不同的是，它极化矢量的排列不是那么有序。 这张图里的箭头示意极化矢量。可以看到，图中 一些纳米微区的极化矢量的方向和整个基体的宏观极化方向是不相同的 ，有向左倒的，有向右倒的。这些极化矢量对于弛豫铁电单晶的性能有非常重要的贡献。 在介绍笔者 的工作之前，笔者 想先简单介绍一下弛豫铁电单晶的发现历史。 弛豫铁电单晶最早是在1970年由苏联科学家和日本科学家合成出来的。 ▲ 左： Prof. Kuwata；右： P