??近半個(gè)世紀(jì)以來，以集成半導(dǎo)體為代表的有源器件和以各類功能陶瓷材料為基礎(chǔ)的有源與無源器件深刻地改變了人類社會(huì)。作為廣泛存在的分布式智能傳感、換能與供能、以及微納米精密驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)材料，壓電陶瓷材料及其應(yīng)用技術(shù)在民用和國(guó)防領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。然而由于受限于本征的6mm點(diǎn)群對(duì)稱性，天然壓電陶瓷的壓電應(yīng)變矩陣（描述壓電材料將電場(chǎng)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變輸出的能力；三階張量；具有18個(gè)矩陣元，即壓電應(yīng)變系數(shù)dij）中只有5個(gè)非零的矩陣元。多年以來，幾乎所有的研究工作都聚焦在如何合成新材料和如何提高5個(gè)已有的壓電系數(shù)；盡管已有學(xué)者開始意識(shí)到個(gè)別非零的壓電系數(shù)矩陣元的存在，但一直缺乏一個(gè)系統(tǒng)的理論研究。因此，在壓電學(xué)基礎(chǔ)領(lǐng)域，每一次重要的進(jìn)展都舉步維艱，這限制了壓電器件的設(shè)計(jì)和進(jìn)一步的發(fā)展空間。

近日，《科學(xué)》子刊Science Advances以研究長(zhǎng)文-物理科學(xué)（Research Article-Physical Sciences）的形式報(bào)道了北京大學(xué)董蜀湘課題組在這一領(lǐng)域獨(dú)辟蹊徑的研究探索和取得的重要進(jìn)展。論文題目為：Designing electromechanical metamaterial with full nonzero piezoelectric coefficients（DOI: 10.1126/sciadv.aax1782），原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaax1782 。

不同于傳統(tǒng)上通過摻雜改性化學(xué)方法提高壓電性能，該研究工作受凝聚態(tài)物理學(xué)中對(duì)稱性原則的啟發(fā)，將超材料有序功能基元設(shè)計(jì)思想引入壓電陶瓷設(shè)計(jì)，通過精巧的拓?fù)浜蛶缀卧O(shè)計(jì)得到的新型機(jī)電耦合超材料從表觀上打破了壓電陶瓷本征的對(duì)稱性，首次實(shí)現(xiàn)全部非零的18個(gè)壓電應(yīng)變系數(shù)單元，而且部分單元表觀壓電系數(shù)測(cè)量值比自然壓電系數(shù)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，打破了傳統(tǒng)上70多年來壓電陶瓷材料只有五個(gè)非零壓電系數(shù)dij的認(rèn)知，給壓電器件未來發(fā)展帶來全新設(shè)計(jì)思路。該工作被審稿人評(píng)價(jià)為“Will have a significant impact on various piezoelectric technologies (將對(duì)各種壓電技術(shù)產(chǎn)生重要影響)”。對(duì)稱性破缺是很多物理現(xiàn)象的背后機(jī)制（如超導(dǎo)、反鐵磁性），但是從微觀上構(gòu)筑新型可控的破缺對(duì)稱性十分艱難，該工作通過宏觀基元設(shè)計(jì)打破表觀對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)超常物理參數(shù)及性能強(qiáng)化的思路對(duì)于創(chuàng)造新型多場(chǎng)耦合超材料具有很好的啟發(fā)意義。

該論文的第一作者是北京大學(xué)工學(xué)院2016級(jí)博士生楊繼昆，董蜀湘教授是論文唯一通訊作者。清華大學(xué)王曉慧教授、周濟(jì)院士參與了本課題的研究；清華大學(xué)李龍土院士對(duì)本課題給予了支持。這項(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委（51772005，51132001）資助、磁電功能材料與器件北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。