做基础研究，永远不会失败

一年前，任晓兵入职了位于浙江宁波的甬江实验室。总是面带微笑、穿着一双大头拖鞋的他，给人的印象是温和而松弛的，但这与其果断、坚定的性格也毫不冲突。

问起回国后的感受，任晓兵用他一贯不急不缓的语调回答：“我看到了一家世界级科研机构的雏形。”

任晓兵（左）和团队成员。甬江实验室供图

母亲保存的任晓兵少年时代“厨房实验室”部分化学及无线电装置。

近日，《科学》发表了任晓兵团队的突破性成果。他们将一类经典且价格低廉的多晶压电陶瓷的核心性能指标提升十多倍，创制出“超级压电陶瓷”，性能显著超越了所有已知的压电材料。

任晓兵谈起这项耗时近17年的工作，更像在描述一场漫长的“游戏”：“科研的快乐就像打游戏，非常有意思。中间经常踩坑死掉，只能从头再来，过了第一关，还有更难的第二关……这种感觉是最刺激的。” 游戏可能会经常“死掉”，但在他看来，“做基础研究，永远不会失败”。

一场长达17年的“远征”

压电材料是智能时代的核心功能材料之一，它能够实现“力”与“电”的相互转换：当你按压手机指纹识别模块时，是它把机械信号转换为电信号；医院B超探头捕捉体内形貌，靠它实现成像；高端相机镜头自动对焦、光刻机实现纳米级移动，也需要它提供支持。

衡量这项“敏感”与“力量”的关键指标，称为压电系数。其数值越高，材料的力电耦合转换性能越优异。

然而，过去70余年，这项指标的发展几乎陷入停滞。主流压电陶瓷的性能始终定格在200～600pC/N（皮库仑/牛）这一区间。20世纪80年代出现的弛豫压电单晶，性能虽可达2000pC/N的量级，但造价堪比黄金，且脆弱易碎，难以大规模应用。

打破这一僵局的理论曙光出现在2009年。任晓兵在《物理评论快报》上提出，在压电材料的相图多相交汇处，存在一个“三临界点”，即热力学奇点。此处各相间能量壁垒消失，材料对外场的响应理论上趋于无穷，堪称性能的“珠穆朗玛峰”。

然而，该理论长期停留在猜想阶段，难以验证。“这就好比你知道珠峰在那里，但你一到半山腰就缺氧冻死，永远登不了顶。”任晓兵打了个比方。

从2009年到2023年，任晓兵团队花十余年时间，用不同材料体系反复验证那座“珠峰”是否真的存在。他们观测到性能确实沿着理论预言的“山脊”不断攀升，一旦接近居里温度，材料性能骤然下降，如同进入一个性能“禁区”。

2023年，任晓兵团队做出根本性思维转变，不再问“如何绕过这个禁区”，而是问“如何让材料在这个禁区存活并发挥性能”。

答案是开创压电器件的“主动工作模式”。首先，把材料组分精确设计到理论预言的那个点上；其次，把温度精确控制在理论范围；最后，施加一个微小的偏置电场，持续引导材料内部的电偶极子一致排列，抵消热扰动的破坏。

任晓兵向《中国科学报》解释道：“这就像在珠峰上建立一个营地。先找到具有卓越能力的‘队员’，然后构建强大的‘保温服和供氧系统’，让队员始终处于最佳状态，进而到达更广阔的领域。”

基于该模式的主动压电器件，在室温至350°C范围内保持压电系数大于6000pC/N的稳定输出，性能原则上还可延伸至极低温或超高温，比传统被动压电材料高出一个量级以上。

从最初提出理论到最终完成实验验证，前后历时近17年。而这一切的实现，离不开任晓兵横跨半个世纪的“科研游戏”。

从厨房“化学实验室”起步

任晓兵的科学探索之旅，始于1976年内蒙古包头家中的厨房。

那一年他10岁，被姐姐中学化学课本中的实验插图深深吸引。他用脸盆当水槽、药瓶作烧杯，找来木片和蜡烛，完成了人生中第一个化学实验——证明氧气占空气的1/5。当蜡烛缓缓熄灭，罩着蜡烛的瓶子里水面上升到约瓶高1/5处，他“噌”一下跳起来，冲出去喊父母来看。

自此一发不可收拾。家中的盐、醋、明矾、甘油、白酒成为任晓兵的第一批“化学药品”，空玻璃瓶、用完的圆珠笔芯、自行车气门芯软管、加热食物的酒精炉，都成了实验仪器的“平替”。他在家中厨房建起了自己的“化学实验室”。

这种“动手得真理”的狂热贯穿了任晓兵的成长历程。从最简单的单二极管收音机到7个晶体管的复杂电路，再到自制电子琴和脉冲近视治疗仪，甚至高考临近他仍在制作电路板，只为操控那艘近1米长的自制舰船模型。

16岁考入西安交通大学后，任晓兵的动手能力有了更大的用武之地。大三寒假，任晓兵从学校带回一包渗硼剂，找到包头链条厂，对厂里一种极易磨损的模具进行表面渗硼硬化处理，最终将模具寿命提高了70倍。

那是一个少年发明家的黄金时代。但研究生一年级成了改变他科研志向的转折点。导师分配给他一个理论性课题：高碳钢马氏体低温时效的机理。彼时可参考的文献寥寥无几，实验设备亦十分匮乏。

一筹莫展之际，一门专业课“合金热力学”打开了任晓兵的思路。没有实验条件，那就试试理论计算。1年后，相关成果发表于国际金属材料领域的核心期刊。

这次经历让任晓兵深刻体会到基础研究的独特魅力——“不同于造出一个实物，而是发现一条新规律的智力愉悦”。从此，他的科研志向从直接造福人类的“发明家”，转向探索科学真理的“科学家”。

此后，任晓兵先后通过西安交通大学-日本大阪大学联合培养博士项目，系统掌握了先进的材料表征技术和高等相变理论；又在南京大学将研究视野拓展到铁电材料。这些学术经历，为他日后的系列重要发现奠定了坚实的基础。

1996年，任晓兵前往日本筑波大学开展JSPS（日本学术振兴会）博士后研究。在筑波大学的4年间，他挑战了一个困扰学界60余年的难题——马氏体橡皮弹性之谜。

当诸多学者专注于显微观测未果时，任晓兵跳出传统思维框架，在《自然》发表了点缺陷短程有序对称性理论，完美解决了这一学术界难题。美国物理学会前会长Krumhansl称他为“马氏体地平线上跃出的新星”。

2004年起，任晓兵在日本国立材料研究所（NIMS）独立主持实验室工作，迎来了基础研究生涯的爆发期。其间，他发现了兼具晶体有序和非晶体黏弹性行为的“应变玻璃”，开辟了固态物质研究的新领域；合著的形状记忆合金综述论文，成为该领域一个多世纪以来引用排名之最；他打破“无铅必低效”的行业魔咒，预测并发现首例性能超越传统含铅材料的无铅压电陶瓷。

过往深厚的积淀，恰恰傍了任晓兵直面那个大胆猜想的底气——而那个萦绕多年的“理论预言”、那座“性能珠峰”，仍有待验证。

好奇心是最好的攻略

2024年5月，任晓兵受甬江实验室主任崔平邀请，第一次到访浙江宁波。彼时的甬江实验室尚在租用的临时厂房中过渡，可在他眼里却是“处处生机，满满活力”。餐厅墙上悬挂着多位诺贝尔奖得主的画像，透露出这家新兴科研机构的雄心。

半年后，任晓兵辞去NIMS上席研究员职位，全职加入甬江实验室。怀揣着“from lab to fab”（从实验室到时尚前沿）的梦想，他迅速组建起先进智能材料研究中心，目标是建立一个从基础研究到材料应用技术的全链条一流研究实体。

谈及本次发表的成果，任晓兵表示：“将多年的科研成果转化为实际应用、服务社会，这不仅是科技创新的本质，更是我儿时的梦想。”

这位铁性智能材料领域的资深科学家，依然保持着少年时代那份对未知的好奇。

他经常跟年轻人讲，科研的快乐就像打游戏——死掉了从头再来，过了一关，第二关更难，但感觉最过瘾。“如果你只是盯着论文发表、毕业、拿项目这些压力，那就很容易焦虑并束手束脚。但如果对未知事物有好奇心，觉得有意思、成不成没关系——东边不亮西边亮，原来计划的目标即使没达到，周围也有的是新机会。”

“做基础研究，永远不会失败。”任晓兵说，“你最初设定的那个目标有可能达不到，甚至想法本身就是错的，但过程中有大量的新机会；只要能保持好奇心，随便拎一个出来，就会有新发现、新成果；有时候，这些意外发现的重要性会超越当初设定的目标。从这个意义上讲，基础研究总会成功。”

他回忆起这次突破的过程：最初不敢想能达到6000pC/N这个量级，“当时觉得能达到1500pC/N就是天花板了”。过了几年突然有了主动模式的突破，一下子冲到3000pC/N。“我想，我们的理论是对的，既然理论值是无限大，那我们就冲吧。”

“到了4000pC/N，这本身是单晶的峰值，觉得还不过瘾；到了5500pC/N，觉得跟单晶性能还是没有拉开足够距离，要远远甩开……就这样一步步，到了6850pC/N。”任晓兵说，“心里有那座峰在那里，你就知道那个点是现实存在的，只是要克服很多障碍而已。那就慢慢来呗，心里不慌。”

如今，任晓兵正带领团队从1走向100。蜜蜂大小的无人机、血管中巡游的手术机器人、可捕捉细胞早期病变的新一代B超……这些曾经遥不可及的科幻场景，正随着“超级压电陶瓷”的诞生，一步步走进现实。

在甬江实验室先进智能材料研究中心的办公室里，任晓兵依然保持着松弛而敏锐的状态。他说，大脑要柔软，才能看见目标之外的可能性。“只要保持好奇心，以及好奇心驱动下的工作热情，你就会成功，虽然不一定在你最初设定的那条路上。”