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来自明尼苏达大学双城分校和德国基尔大学的一个国际研究小组发现了一条可以让陶瓷材料形状发生变化的途径。这一发现可以大大改善这种材料从医疗设备到电子产品中的应用。这项研究已发表在世界领先的多学科科学杂志《Nature》上。
曾经把咖啡杯掉在地上，看着它摔成碎片的人都知道陶瓷是易碎的。只要稍有变形，它们就会破碎。然而，陶瓷不仅仅用于餐具和浴室瓷砖，它们还用于电子产品，因为根据它们的成分，它们可以是半导体、超导、铁电或绝缘的。陶瓷也无腐蚀性，可用于制造多种产品，包括火花塞、光纤、医疗设备、航天飞机用瓷砖、化学传感器和滑雪板等。
在材料光谱的另一端是形状记忆合金。它们是已知的一些最易变形或可重塑的材料。形状记忆合金在用作医疗支架时就凭借着这种巨大的可变形性，它也是双子城地区和德国充满活力的医疗器械行业的支柱。
这种变形行为的起源是固-固相变。与结晶-熔融-再结晶过程不同，结晶-固-固转变仅在固态时发生。通过改变温度（或压力），一种晶体固体可以转变成另一种晶体固体而不需要变成液相。
在这项新的研究中，生产可逆形状记忆陶瓷的方法一点也不简单。研究人员首先尝试了一种新的金属形状记忆材料的配方。这需要通过成分变化对原子之间的距离进行微调，从而使两种相很好地结合在一起。他们采用了这一配方，但没有改善陶瓷的变形能力，而是观察到一些试样在通过相变时发生了爆炸。其他则逐渐分解成一堆粉末，他们称之为“哭泣”现象。
对于另一种成分，他们观察到可逆转变，很容易在相之间来回转变，很像形状记忆材料。可逆相变发生的数学条件可以得到广泛应用，并为具有形状记忆的特殊陶瓷的发展提供了一条道路。
“我们对我们的研究结果感到非常惊讶。形状记忆陶瓷将是一种全新的功能材料，”该研究的论文合著者、明尼苏达大学宇航工程力学系的杰出麦克奈特大学教授Richard James说。“人们非常需要能够在高温或腐蚀性环境中工作的形状记忆材料。但最让我们兴奋的是新型铁电陶瓷的前景。在这些材料中，相变可用于利用微小的温差发电。”
来自德国的团队负责实验部分以及纳米级的化学和结构研究。
“为了解释我们的实验发现，与预期相反，陶瓷是极不相容的，会爆炸或腐烂，与明尼苏达大学RichardJames小组的合作非常有价值，”该研究的论文合著者、德国基尔大学材料科学研究所教授EckhardQuandt表示。“在此基础上发展起来的理论不仅描述了这种行为，而且还展示了获得所需兼容形状记忆陶瓷的方法。”
James也强调了明尼苏达大学与基尔大学合作的重要性。
James补充道：“我们与基尔大学EckhardQuandt小组的合作非常富有成效。在所有这些合作中，我们可以就许多重复部分进行很好地沟通，但每个小组都带来了大量的想法和技术，扩大了我们的集体发现的能力。”
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