陶瓷基形状记忆材料

朱崇恺

氧化鋯陶瓷材料的原子结构

最近，权威杂志《自然》发表了麻省理工学院材料科学与工程系的科斯利托夫教授的新论文，他提出用陶瓷制成新型形状记忆材料，而非金属。

形状记忆材料是一种智能材料，加热可以触发它的变形功能——从一种形状恢复为另一种形状。

他解释说，形状记忆材料本身有两种不同的形状，通过刺激，可以触发切换。这些“刺激”包括温度、机械应力、电场或磁场——以施加力的方式使材料转换形状。“之前的形状记忆材料都是基于金属材质制作的，”克里斯托夫说，“如果在原子水平上改变材料的形状，就会对材料产生很多损害。原子必须重新洗牌，改变它们的结构，随着原子的移动，它们很容易进入错误的位置，从而产生缺陷，损坏材料。”

金属的延展性很强，因此它们的抗损坏性更强。相比之下，陶瓷不会像金属一样弯曲变形，而是会受力断裂，抗损能力要次于金属。“这项工作想要做的是设计一种新的陶瓷，其形状在宏观上仍然可以转换，但在材料内部，在原子尺度，更温和。”

研究的结果是得到了氧化锆的新变种，并在结构中引入了一些不同的元素。这些元素“溶解”在晶格中，使之在原子尺度上更加柔和。其原子结构有两种不同的排列方式。诸如温度变化之类的外部刺激，可以触发材料的形状转变——从一种形状转变为另一种形状。