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深耕冷門專業 攻克熱點難題——西安交大科研團隊在智能材料領域貢獻中國智慧
發布:Iron_MAN10   時間:2020/4/28 15:48:32   閱讀:130 
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連日來,習近平總書記的重要講話在西安交通大學師生中引起熱烈反響,大家紛紛表示,要牢記總書記的囑托,繼承和發揚“西遷精神”,不忘初心、牢記使命,扎根西部,為把西安交通大學建設成為世界一流大學,助力國家西部戰略發展奉獻自己的智慧和力量。

自從扎根西部以來,西安交通大學堅持面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求,不斷增強科技創新能力,提升科技競爭力,取得了一系列重要科研成果,各級科技獎勵數量、發明專利授權數量大幅增長。僅“十三五”以來,西安交通大學獲國家科學技術獎21項、省部級各類科技獎115項;2016年到2019年共獲授權發明專利4290件;涌現出了一批為經濟社會發展作出突出貢獻,具有世界影響力的科研團隊。從即日起,本報將刊登西安交通大學優秀科研團隊的事跡,介紹他們繼承和發揚“西遷精神”,扎根西部,頑強攻關的科研故事,以饗讀者。

“彎曲”材料,可以產生電信號?

這不是科幻,是智能材料領域的一項熱門研究。通過“彎曲”材料,進而產生電信號,說的就是撓曲電效應。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,進而產生電壓的一種效應。

“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。”西安交通大學智能材料與結構研究團隊成員梁旭介紹。

十余年來,西安交通大學申勝平教授領銜的智能材料與結構研究團隊致力于撓曲電材料與結構的力電耦合理論及應用研究,在這一曾經的冷門專業,攻克了諸多熱點難題,取得了一系列備受矚目的成果。

取得基礎理論的突破

近年來,隨著微納米技術的不斷發展,撓曲電效應在傳感、能量采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20世紀末,情況卻大不相同。那時,盡管已有學者發現了撓曲電效應,但由于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,關于撓曲電效應的研究鮮有人問津。

由于壓電效應在應用材料體系受限較大,本專注于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,并于2008年成立了國內首個開展撓曲電效應理論研究的團隊。

瞄準這一冷門專業,申勝平帶領團隊堅定不移地邁向了科研攻關之路。撓曲電理論的數學描述、本構方程要比傳統的壓電理論復雜得多,且理論推導需要嚴密、大量的數學推斷過程。因此,如何建立基于撓曲電效應的力電耦合理論,便成為擺在研究者面前的第一道難題。

“在那段時間里,我們幾乎翻閱了一切相關的文獻資料,進行公式的反復推演,一心只希望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點后回家是常有的事。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。團隊成員回憶,申勝平教授為了驗證理論公式的準確性,每個公式都要反復驗證無數次,確保無誤。

正是憑借著這股“咬定青山不放松”的執著和鉆研勁兒,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。該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”。在該理論指導下,團隊又在不到10年的時間里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。

面向需求,協同攻關

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。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,如何盡快將撓曲電理論運用于具體實踐,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。

團隊成員鄧謙在國外從事博士后研究期間,研究的方向就是撓曲電。“申老師在這方面的研究已經比較前沿,所以畢業后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。一般聚合物材料的撓曲系數遠遠低于陶瓷,即便施加大的應變梯度,也難以得到強撓曲電效應。

面對這一難題,鄧謙帶領學生設計制備了一種攜帶永久電荷的新型電活性材料,成功預測并驗證了其中的類撓曲電效應,將該聚合物材料中的撓曲電效應提高了100倍,大幅度提升了其撓曲電系數,為在宏觀尺度上應用撓曲電效應提供了可能性。“我們相信,這一材料將在柔性傳感器、驅動器等方面廣泛應用。”鄧謙滿懷信心。

該團隊成員來自力學、航空宇航、材料等不同專業,平均年齡不到40歲,充滿了研究活力。“突出學科交叉,是智能材料領域發展的新方向。”梁旭介紹,“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。團隊成員研究學科的交叉,為我們在這一領域深耕奠定了良好的基礎。”

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,成為團隊成員的共識。團隊成員補學了大量其他學科的基礎理論,并由申勝平教授牽線,與西安交通大學機械學院、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余名學生。“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。

領跑學科領域

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。研討會邀請了來自國內外高校及科研院所的50余位權威專家學者,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,對于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”,是申勝平對團隊今后研究的期望。“我們將牢記總書記的囑托,始終與國家同向同行,為國家民族勇于擔當,努力踐行‘西遷精神’,把愛國之情、報國之志落實到行動中,擼起袖子加油干,創造屬于我們交大人的新貢獻!”申勝平鄭重承諾。


來源:陜西日報
 
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