深耕冷门专业 攻克热点难题——西安交大科研团队在智能材料领域贡献中国智慧

自从扎根西部以来，西安交通大学坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求，不断增强科技创新能力，提升科技竞争力，取得了一系列重要科研成果，各级科技奖励数量、发明专利授权数量大幅增长。仅“十三五”以来，西安交通大学获国家科学技术奖21项、省部级各类科技奖115项；2016年到2019年共获授权发明专利4290件；涌现出了一批为经济社会发展作出突出贡献，具有世界影响力的科研团队。从即日起，本报将刊登西安交通大学优秀科研团队的事迹，介绍他们继承和发扬“西迁精神”，扎根西部，顽强攻关的科研故事，以飨读者。

“弯曲”材料，可以产生电信号？

这不是科幻，是智能材料领域的一项热门研究。通过“弯曲”材料，进而产生电信号，说的就是挠曲电效应。挠曲电效应是指通过非均匀变形，引起材料正负电荷中心分离，进而产生电压的一种效应。

“与传统压电效应不同，挠曲电效应在所有电介质中存在，且在微纳尺度可极大提升材料的换能效率。此外，挠曲电材料克服了压电材料的缺点，绿色无害，在智能材料与结构领域显示出了广泛的应用前景。”西安交通大学智能材料与结构研究团队成员梁旭介绍。

十余年来，西安交通大学申胜平教授领衔的智能材料与结构研究团队致力于挠曲电材料与结构的力电耦合理论及应用研究，在这一曾经的冷门专业，攻克了诸多热点难题，取得了一系列备受瞩目的成果。

取得基础理论的突破

近年来，随着微纳米技术的不断发展，挠曲电效应在传感、能量采集等领域显示出了巨大的应用前景，逐渐成为国内外学界研究的热点问题之一。

将时光的指针拨至20世纪末，情况却大不相同。那时，尽管已有学者发现了挠曲电效应，但由于压电能产生较强的电信号，国际学界的关注重点都聚焦在压电领域，关于挠曲电效应的研究鲜有人问津。

由于压电效应在应用材料体系受限较大，本专注于研究压电的申胜平教授，将目光转移到当时冷门的挠曲电效应研究方向，并于2008年成立了国内首个开展挠曲电效应理论研究的团队。

瞄准这一冷门专业，申胜平带领团队坚定不移地迈向了科研攻关之路。挠曲电理论的数学描述、本构方程要比传统的压电理论复杂得多，且理论推导需要严密、大量的数学推断过程。因此，如何建立基于挠曲电效应的力电耦合理论，便成为摆在研究者面前的第一道难题。

“在那段时间里，我们几乎翻阅了一切相关的文献资料，进行公式的反复推演，一心只希望能早日把这个研究搞出来。”梁旭回忆，“所有团队成员整日泡在实验室，每天上午7点到，晚上11点后回家是常有的事。我们也完全没有假期概念，即使在春节，大年初二也就都回来了。”没有条件，就努力创造条件；没有时间，就拼命挤出时间。一个看似简洁的理论公式，要推演出也绝非是一帆风顺的，往往一步算错就要整体推倒重来。团队成员回忆，申胜平教授为了验证理论公式的准确性，每个公式都要反复验证无数次，确保无误。

正是凭借着这股“咬定青山不放松”的执着和钻研劲儿，团队仅用了不到两年的时间就建立了挠曲电纳米材料连续介质理论，推动了多场耦合力学的发展。该研究被欧美学者以申胜平名字命名（Shen Formulation），称其为“开创性的研究”“开创性的理论框架”。在该理论指导下，团队又在不到10年的时间里建立了系列分析模型，为微纳智能结构性能分析和稳定性分析，以及挠曲电智能器件设计提供了理论基础和新思路，得到国际学界的广泛肯定。

面向需求，协同攻关

在申胜平看来，科学研究不应仅仅停留在理论层面，更要面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求。随着智能材料成为我国国防、航空航天等重要领域所需的核心材料之一，如何尽快将挠曲电理论运用于具体实践，设计出挠曲电智能器件成为申胜平团队进一步的重点工作。

团队成员邓谦在国外从事博士后研究期间，研究的方向就是挠曲电。“申老师在这方面的研究已经比较前沿，所以毕业后我就加入了他的团队。”在实验中，邓谦发现，最常用的挠曲电陶瓷易断裂、变形小，只有在微纳尺度才能产生大的应变梯度，而聚合物材料柔性好，即使在宏观尺度下也可以承受很大的应变梯度。一般聚合物材料的挠曲系数远远低于陶瓷，即便施加大的应变梯度，也难以得到强挠曲电效应。

面对这一难题，邓谦带领学生设计制备了一种携带永久电荷的新型电活性材料，成功预测并验证了其中的类挠曲电效应，将该聚合物材料中的挠曲电效应提高了100倍，大幅度提升了其挠曲电系数，为在宏观尺度上应用挠曲电效应提供了可能性。“我们相信，这一材料将在柔性传感器、驱动器等方面广泛应用。”邓谦满怀信心。

该团队成员来自力学、航空宇航、材料等不同专业，平均年龄不到40岁，充满了研究活力。“突出学科交叉，是智能材料领域发展的新方向。”梁旭介绍，“最开始，我们都是搞力学出身，可做研究单凭力学专业还远远不够，需要电学、材料学、化学等方面的知识。团队成员研究学科的交叉，为我们在这一领域深耕奠定了良好的基础。”

研究要取得发展、要有所突破，就一定要走出专业“舒适圈”、不能固守老本行，成为团队成员的共识。团队成员补学了大量其他学科的基础理论，并由申胜平教授牵线，与西安交通大学机械学院、电气学院、材料学院等搭建实验室，开展了一系列跨学科合作。现如今，团队也吸纳了具有机械、电气、材料、力学等专业学科背景的30余名学生。“时代给予了我们一个绝好的机遇，只要我们有想法，专业学科不会成为限制我们研究的问题。”梁旭笑着说。

领跑学科领域

2019年8月，由西安交通大学航天航空学院主办的“2019年国际挠曲电理论与应用研讨会”成功召开。研讨会邀请了来自国内外高校及科研院所的50余位权威专家学者，就当前智能材料领域备受关注的研究热点问题，进行了深入而系统的学术成果交流。这是国际上首次举办的挠曲电研究专题研讨会，对于促进学科交流与合作、推动挠曲电效应及相关研究领域的发展具有重要意义。

“目前国际上在挠曲电方向的研究力量相对比较分散，缺乏有效的交流途径。而我们搞这项研究用了十多年，所以希望能主办这一专业研讨会，推动挠曲电效应这一新兴研究方向在各领域的应用与发展。”申胜平团队已计划好，2020年还要举办第二届研讨会，希望能够推动该研究领域在国际上的发展。

“善小而大成”，是申胜平对团队今后研究的期望。“我们将牢记总书记的嘱托，始终与国家同向同行，为国家民族勇于担当，努力践行‘西迁精神’，把爱国之情、报国之志落实到行动中，撸起袖子加油干，创造属于我们交大人的新贡献！”申胜平郑重承诺。（张梅 霍强 通讯员 崔可嘉）