来自明尼苏达大学双城大学和德国基尔大学的一个国际研究小组发现了一条可能导致陶瓷材料变形的途径。这一发现可以改善从医疗设备到电子产品的一切。该研究发表在Nature 上。

任何曾经掉过咖啡杯并看着它碎成几块的人都知道陶瓷是易碎的。稍有变形，它们就会破碎。然而，陶瓷不仅用于餐具和浴室瓷砖，还用于电子产品，因为根据它们的成分，它们可能是半导体的、超导的、铁电的或绝缘的。陶瓷也是无腐蚀性的，可用于制造各种产品，包括火花塞、光纤、医疗设备、航天飞机瓷砖、化学传感器和滑雪板。

在材料范围的另一端是形状记忆合金。它们是一些已知的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依赖于这种巨大的变形能力，这是双城地区和德国充满活力的医疗器械行业的支柱。

这种形状转变行为的起源是固相到固相的转变。与结晶-熔融-重结晶的过程不同，结晶固固转变仅在固态下发生。通过改变温度（或压力），可以将结晶固体转化为另一种结晶固体，而无需进入液相。

在这项新研究中，生产可逆形状记忆陶瓷的途径并不简单。研究人员首先尝试了一种有助于发现新金属形状记忆材料的配方。这涉及通过成分变化对原子之间的距离进行精细调整，以便两相很好地结合在一起。他们实施了这个配方，但并没有提高陶瓷的变形能力，而是观察到一些样品在通过相变时发生爆炸。其他人逐渐散落成一堆粉末，他们将这种现象称为“哭泣”。

对于另一种组合，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。可逆变换发生的数学条件可以得到广泛应用，并为研究矛盾的形状记忆陶瓷提供了一条前进的道路。

“我们对我们的结果感到非常惊讶。形状记忆陶瓷将成为一种全新的功能材料，”该研究的合著者、明尼苏达大学航空航天工程系麦克奈特大学杰出教授理查德詹姆斯说力学。“非常需要能够在高温或腐蚀性环境中工作的形状记忆执行器。但最让我们兴奋的是新型铁电陶瓷的前景。在这些材料中，相变可用于从低温发电差异。”

来自德国的团队负责实验部分以及纳米尺度的化学和结构研究。

“对于我们的实验发现，与预期相反，陶瓷极不相容并爆炸或腐烂的解释，与明尼苏达大学理查德詹姆斯小组的合作非常有价值，”埃克哈德昆特说，他是该研究的合著者。该研究和基尔大学材料科学研究所的教授。“在此基础上开发的理论不仅描述了行为，而且还展示了获得所需的兼容形状 记忆陶瓷的方法。”

James 还强调了明尼苏达大学和基尔大学之间合作的重要性。

“我们与基尔大学的 Eckhard Quandt 小组的合作非常富有成效，”詹姆斯补充道。“与所有此类合作一样，有足够的重叠我们可以很好地沟通，但每个小组都带来了大量的想法和技术，可以扩展我们的集体发现能力。”