在追求可持续发展的全球背景下，开发环境友好型功能材料已成为科学界与工业界的共同焦点。压电材料，这种能将机械能转化为电能的神奇物质，是无数现代电子设备的“无声心脏”。然而，其高性能版本长期以来严重依赖有毒的铅元素，构成了潜在的环保与健康隐患。
近日，一项由英国伯明翰大学（University of Birmingham）领衔的突破性研究，成功化解了这一现状。科学家利用无毒的铋元素合成了一种高性能新型压电材料，能以更高效率将机械运动转化为电能，且不含毒性铅元素。这为未来电子设备的设计打开了通往绿色、柔性化的大门。
这项研究成果发表于《美国化学会志》，来自伯明翰大学、牛津大学和布里斯托大学的研究人员，共同描述了一种兼具耐用性和运动敏感性的材料。
该材料基于低毒性无机盐碘化铋，是一种柔软的杂化材料，其性能可媲美传统的铅基陶瓷，但毒性更低、加工更简便。与目前含铅量达60%的高性能压电材料（如锆钛酸铅，PZT）相比，该材料完全不含铅，且可在室温下制备，无需以往所需的1000℃高温。
研究成员伯明翰大学的Dominik Kubicki博士表示，这种材料采用无毒的铋元素制成，性能却可与商业压电材料相媲美。这一发现为未来可驱动传感器、医疗植入体和柔性电子设备的环保技术开辟了新路径。
伯明翰大学的研究人员通过单晶X射线衍射和固态核磁共振技术，解析了该材料的行为机制。他们发现，材料中有机与无机组分通过卤键结合的方式，可调控材料结构转变的时机与模式，并提升压电性能。这一认识也有助于优化其他有机与无机杂化材料的压电性能。
研究人员进一步指出，通过精细调控有机与无机组分间的相互作用，他们成功构建出一种微妙的结构不稳定性，实现了对称性破缺。这种有序与无序之间的相互作用，正是材料卓越压电响应的来源。与锆钛酸铅等传统压电材料相比，这是不同的实现路径，也正因此带来了性能的巨大提升。
压电材料在受压或弯曲时会产生电荷，在电场作用下也会发生形变。其应用涵盖从精密致动器（如相机自动对焦系统和喷墨打印机泵）到能量收集传感器（应用于健身追踪器、智能服装和汽车安全气囊系统等可穿戴技术）的众多领域。
全球压电材料市场价值超过350亿美元，并在汽车、医疗、机器人和消费电子领域需求的推动下持续快速增长。这些领域高度依赖将运动转化为电能或精密机械动作的器件。
伯明翰大学负责核磁共振研究的Benjamin Gallant博士表示，作为一名早期职业研究者，能参与这项可能改变社会的研究令人兴奋。我们日常使用的几乎每个设备都含有压电材料。
该研究由牛津大学的Henry Snaith教授、布里斯托大学的Harry Sansom博士与伯明翰大学的Dominik Kubicki 博士共同指导，融合了新材料、晶体设计和原子级结构表征领域的专业知识。
伯明翰大学拥有英国最具活力且设备最先进的化学系之一。2024年，大学启用了分子科学大楼，世界领先的研究实验室与为本硕学生专门打造的学习空间相结合，为伯明翰的化学研究社群提供了顶尖的科研设施。
科研关联留学专业解读要实现这类前沿材料从实验室发现到未来实际应用的跨越，不仅需要化学家的精准合成，更依赖于能够融汇多学科知识、提供顶尖培养的平台。
伯明翰大学的工程与物理科学学院（College of Engineering and Physical Sciences, EPS）是欧洲规模最大的同类学院之一，汇聚了化学工程、化学、计算机科学、工程学、数学、冶金与材料、物理与天文学这7个学术院系。
EPS致力于在教育、研究、知识转化领域，共同探索科学与工程的前沿。在2021年卓越研究框架评估中，学院内所有学科的研究排名均得到提升。其中，计算机科学、物理学和工程学的研究实力已稳居英国前10位。
EPS下设的冶金与材料学院（School of Metallurgy and Materials）主要探索材料的行为方式、应用领域，以及如何改进材料性能。
冶金与材料学院与工业界紧密合作，大部分研究聚焦于减少对环境的负面影响，涵盖电气化材料与技术、关键材料回收，以及绿色能源解决方案的开发。
材料是几乎所有工业部门的基础。全球性挑战正驱动着对新材料的需求，以及对材料工程师和研究人才日益增长的需要。
冶金与材料学院下开设的材料科学与工程硕士（Materials Science and Engineering MSc），将指导学生学习从飞机、电池到髋关节植入体和电子设备，使学生掌握先进材料领域的知识、概念和研究技能，学习如何为多样化的应用开发先进材料。
在2026年《完全大学指南》中，伯明翰大学的材料技术专业排名英国第4位。材料科学与工程硕士能使用英国顶尖的材料研究中心之一，为深造研究生学习提供绝佳准备。就读该硕士的学生，将受益于由领域内全球专家教授的课程。教学计划包括讲座、实践与案例研究、小组、以及个人研究项目。
材料科学与工程硕士课程共计180学分，为期一年。其中120学分为授课模块，60学分为夏季开展的个人研究项目。具体开设的课程为：
核心课程：高级冶金与制造；个人研究项目；非金属材料；研究与沟通技能。选修课程：电子显微镜；生物材料；防失效设计；功能材料；材料建模导论；氢能与燃料电池技术材料；可持续环境技术材料；物理冶金（钛与镍）；高分子科学与软物质；传感器与复合材料；表面工程。
材料科学与工程硕士常规申请要求：
（1）申请截止时间：7月3日。课程名额招满即止，建议尽早申请。
（2）申请文书及材料：简历；个人陈述；官方成绩单；1-2封学术或专业推荐信；国际学生需要申请ATAS证书。
（3）标化考试要求：IELTS总分要求6.5分，各单项最低要求6.0分；TOEFL-iBT总分要求88分，阅读和写作单项不低于21分、听力单项不低于20分、口语单项不低于22分。
伯明翰大学材料科学与工程硕士毕业生在广泛领域发挥着影响力，包括研究、教育管理、管理咨询、机械工程，采矿与金属等。该专业校友就职于劳斯莱斯、毕马威、麦肯锡公司、法拉第研究所，以及英国原子能管理局等领先机构。本课程也是学生进入伯明翰大学或其他院校攻读博士学位的理想跳板。
材料科学与工程硕士课程中占比高达三分之一的个人研究项目，为学生提供了直接参与类似无铅压电材料这类前沿课题的宝贵机会。通过在“功能材料”、“传感器与复合材料”等选修课中构建的知识体系，学生得以在顶尖实验室中将理论转化为实践，将最前沿科研优势转化为专业人才培养。
