撓曲電效應是指通過非均勻變形，引起材料正負電荷中心分離（極化），進而產生電壓的一種效應。“形象地說，就是可以通過‘彎曲’材料，使其產生電信號。”西安交通大學航天航空學院副教授梁旭介紹道。與傳統壓電效應不同，撓曲電效應在所有電介質中存在，且在微納尺度可極大提升材料的換能效率。此外，撓曲電材料克服了壓電材料的缺點，綠色無害，在智能材料與結構領域顯示出了廣泛的應用前景。
十餘年來，西安交通大學申勝平團隊致力於撓曲電材料與結構的力電耦合理論及應用研究，並於2019年12月獲得2019年度高等學校科學研究優秀成果獎（科學技術）自然科學一等獎。
深耕“冷門”專業建立基礎性理論
申勝平團隊實驗環境
近年來，隨著微納米技術的不斷髮展，撓曲電效應在傳感、作動、能量採集等領域顯示出了巨大的應用前景，逐漸成為國內外學界研究的熱點問題之一。
將時光的指針撥至上世紀末，情況卻大不相同。那時，儘管已有學者發現了撓曲電效應，但由於壓電能產生較強的電信號，國際學界的關注重點都聚焦在壓電領域，關於撓曲電效應的研究近半世紀以來都鮮有人問津。
由於壓電效應在應用材料體系受限較大，本專注於研究壓電的申勝平教授，將目光轉移到當時冷門的撓曲電效應研究方向，並於2008年成立了國內首個開展撓曲電效應理論研究的團隊。
懷揣著對撓曲電巨大應用前景的憧憬，申勝平帶領團隊堅定不移地邁向了科研攻關之路。然而，第一道擺在面前大大的難題，是撓曲電理論的數學描述、本構方程要比傳統的壓電理論複雜得多，且理論推導需要嚴密、大量的數學推斷過程，因此如何建立基於撓曲電效應的力電耦合理論，困難度可想而知。
“在那段時間裡，我們幾乎翻閱了一切相關的文獻資料，一遍遍進行公式的反覆推演，一心想著能早日把這個研究搞出來。”梁旭回憶，“所有團隊成員整日泡在實驗室，每天上午7點到，晚上11點後回家是常有的事。我們也完全沒有假期概念，即使在春節，大年初二也就都回來了。”沒有條件，就努力創造條件；沒有時間，就拼命擠出時間。一個看似簡潔的理論公式，要推演出也絕非是一帆風順的，往往一步算錯就要整體推倒重來。據團隊成員回憶，申勝平教授為了驗證理論公式的準確性，每個公式都要反覆驗證確認無誤。
正是憑藉著這股“咬定青山不放鬆”的執著和鑽研勁兒，團隊僅用了不到兩年的時間就建立了撓曲電納米材料連續介質理論，推動了多場耦合力學的發展。研究被歐美學者以申勝平名字命名（Shen Formulation），稱其為“開創性的研究”“開創性的理論框架”。在理論指導下，團隊又在接近十年的時間裡建立了系列分析模型，為微納智能結構性能分析和穩定性分析，以及撓曲電智能器件設計提供了理論基礎和新思路，得到國際學界的廣泛肯定。
瞄準國家需求開展跨學科合作
隨著智能材料成為我國國防、航空航天等重要領域所需的核心材料之一，如何儘快將撓曲電理論運用於具體實踐，設計出撓曲電智能器件成為申勝平團隊進一步的重點工作。在申勝平看來，科學研究不應僅僅停留在理論層面，更要面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求。
鄧謙副教授在國外攻讀博士後期間，所研究的就是撓曲電方向，“申老師在這方面的研究已經比較前沿，所以畢業後我就加入了他的團隊。”在實驗中，鄧謙發現，最常用的撓曲電陶瓷易斷裂、變形小，只有在微納米尺度才能產生大的應變梯度，而聚合物材料柔性好，即使在宏觀尺度下也可以承受很大的應變梯度。可一般聚合物材料的撓曲係數遠遠低於陶瓷，即便施加大的應變梯度，也難以得到強撓曲電效應。面對這一“卡脖子”難題，鄧謙帶領學生設計製備了一種攜帶永久電荷的新型電活性材料，成功預測並驗證了其中的類撓曲電效應。基於此，可將該聚合物材料中的撓曲電效應提高100倍，大幅度提升了其撓曲電係數，為在宏觀尺度上應用撓曲電效應提供了可能性。“未來，相信能在柔性傳感器、驅動器等方面有很廣泛的應用。”鄧謙滿懷信心。
用申勝平教授的話說，西安交大智能材料與結構研究團隊，是一支“年輕、富有朝氣的團隊”。團隊成員平均年齡不到40歲，且成員來自於力學、航空宇航、材料等不同專業。“現如今，突出學科交叉，才是智能材料領域發展的新方向。”梁旭說，“最開始，我們都是搞力學出身，可做研究單憑力學專業還遠遠不夠，需要電學、材料學、化學等方面的知識。”
研究要取得發展、要有所突破，就一定要走出專業“舒適圈”、不能固守老本行，成為團隊成員的一致共識。成員們補學了大量其他學科的基礎理論，並由申勝平教授牽線，與學校機械學院、電氣學院、材料學院等搭建實驗室，開展了一系列跨學科合作。現如今，團隊也吸納了具有機械、電氣、材料、力學等專業學科背景的30餘名學生。“時代給予了我們一個絕好的機遇，只要我們有想法，專業學科不會成為限制我們研究的問題。”梁旭笑著說。
帶動行業發展做國際學科領域的“領跑者”
2019年8月，由西安交通大學航天航空學院主辦的“2019年國際撓曲電理論與應用研討會”成功召開，邀請了來自國內外高校及科研院所的50餘位權威專家學者，就當前智能材料領域備受關注的研究熱點問題，進行了深入而系統的學術成果交流。這是國際上首次舉辦的撓曲電研究專題研討會，對於促進學科交流與合作、推動撓曲電效應及相關研究領域的發展具有重要意義。
“目前國際上在撓曲電方向的研究力量相對比較分散，缺乏有效的交流途徑。而我們搞這項研究用了十多年，所以希望能主辦這一專業研討會，推動撓曲電效應這一新興研究方向在各領域的創新性應用與發展。”申勝平團隊已計劃好，2020年還要舉辦第二屆研討會，希望能夠推動該研究領域在國際上的發展。
“善小而大成”，是申勝平對團隊今後研究的期望，“我們將只爭朝夕、不負韶華，在基礎研究和國家重大需求方面貢獻交大力量。”申勝平代表團隊鄭重承諾。
供稿單位：西安交通大學
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