大多數(shù)人認(rèn)為水只存在于三種狀態(tài)之一：固態(tài)冰、液態(tài)水或氣態(tài)蒸汽。但是物質(zhì)可以存在于許多不同的階段——例如，冰有十八種已知的階段（取決于原子在空間上的排列方式）。

壓電材料(如麥克風(fēng)和超聲波)的廣泛應(yīng)用是可能的，這要?dú)w功于對(duì)外力(如壓力、溫度或電)如何導(dǎo)致相變的基本理解，從而賦予材料新的特性。一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，金屬氧化物有一種“隱藏”的相。

這種相使材料具有新的鐵電性質(zhì)，當(dāng)它被極快的光脈沖激活時(shí)，能夠分離正電荷和負(fù)電荷。這項(xiàng)研究由麻省理工學(xué)院的研究人員Keith A. Nelson、Xian Li和Edoardo Baldini領(lǐng)導(dǎo)，他們與Andrew M. Rappe、賓夕法尼亞大學(xué)的研究生Tian Qiu和Jiahao Zhang合作，其研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》上。該研究打開(kāi)了創(chuàng)造材料的大門(mén)，人們可以在一萬(wàn)億分之一秒內(nèi)打開(kāi)和關(guān)閉屬性的開(kāi)關(guān)，現(xiàn)在有了更好的控制，除了改變電勢(shì)，這種方法還可以用來(lái)改變現(xiàn)有材料的其他方面

例如，將絕緣體轉(zhuǎn)變成金屬或翻轉(zhuǎn)其磁極，這為快速功能材料重組開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。該小組研究了鈦酸鍶，一種用于光學(xué)儀器、電容器和電阻的副電學(xué)材料。鈦酸鍶具有對(duì)稱(chēng)的非極性晶體結(jié)構(gòu)，可以被“推入”具有極性的四方結(jié)構(gòu)的相中，這種結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸上有一對(duì)帶相反電荷的離子。Nelson和Rappe之前的合作為這項(xiàng)新研究提供了理論基礎(chǔ)，該研究依賴(lài)于Nelson利用光誘導(dǎo)固體材料相變的經(jīng)驗(yàn)，以及Rappe在開(kāi)發(fā)原子級(jí)計(jì)算機(jī)模型方面的知識(shí)。

可以根據(jù)光譜報(bào)告他認(rèn)為正在發(fā)生的事情，但對(duì)所發(fā)生的事情提供一個(gè)強(qiáng)有力的物理理解之前，這種解釋只是推測(cè)性的。隨著技術(shù)的進(jìn)步和從太赫茲頻率研究中獲得的額外知識(shí)，這兩位化學(xué)家開(kāi)始研究他們的理論是否成立。Rappe挑戰(zhàn)是用精確的計(jì)算機(jī)生成鈦酸鍶來(lái)補(bǔ)充N(xiāo)elson的實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)原子都被跟蹤和表示，它們對(duì)光的響應(yīng)方式與實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試的材料相同。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈦酸鍶被光激發(fā)時(shí)，離子被拉向不同的方向，帶正電荷的離子向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，帶負(fù)電荷的離子向另一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。

然后，不是離子立即回到原來(lái)的位置，而是像鐘擺被推后那樣，在其他原子中產(chǎn)生的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)阻止了離子立即回到原來(lái)的位置。這就像鐘擺，當(dāng)它達(dá)到振動(dòng)的最大高度時(shí)，會(huì)稍稍偏離原來(lái)的軌道，一個(gè)小缺口把它固定在遠(yuǎn)離初始位置的地方。由于尼爾森和拉普有很強(qiáng)的合作歷史，他們能夠在理論模擬和實(shí)驗(yàn)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，反之亦然，直到他們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明理論是正確的。這是一次非常棒的合作，這說(shuō)明，創(chuàng)意可以慢慢醞釀，然后在10多年后全面回歸。

這兩位化學(xué)家將與工程師在未來(lái)的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)研究方面展開(kāi)合作，比如創(chuàng)造具有隱藏相的新材料，改變光脈沖協(xié)議以創(chuàng)造更持久的相，以及觀察這種方法如何應(yīng)用于納米材料。目前，兩位研究人員都對(duì)他們的研究結(jié)果感到興奮，并對(duì)這一根本性突破在未來(lái)可能帶來(lái)的結(jié)果感到興奮。這是每個(gè)科學(xué)家的夢(mèng)想：和朋友一起構(gòu)思一個(gè)想法，規(guī)劃出這個(gè)想法的結(jié)果，然后有機(jī)會(huì)在實(shí)驗(yàn)室里把它轉(zhuǎn)化成某種東西，這是非常令人滿(mǎn)意的。

博科園｜研究/來(lái)自：賓夕法尼亞大學(xué)

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aaw4913

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