无论是烧烤时用的点火器，还是潜艇上的声纳装置，亦或是医院里的超声波检查仪，全都使用了能够将机械应力转化为电能的压电材料。1997年，研究人员研制出了新型压电材料，这些材料在电力与机械反应耦合方面的表现比当时最先进的材料还优秀10倍。但是，当时科学家们并不能明白为何这种新型材料具有如此优良的耦合反应性。
目前，美国能源部所属的橡树岭国家实验室及其合作研究单位的科学家们采用中子散射法，揭示了这些名为弛豫铁电体的新型材料具有良好压电性的原因，并已发布在《科学进展》杂志的网站研究成果《在纳米极化区域振动控制下的弛豫铁电体强机电耦合性》，或许能够为促进设计功能性材料，满足设备应用需求提供必要的信息。
弛豫基础性氧化物铁电体具有与众不同的压电结构，以医学超声波为例，声波的机械压力会形成能够反映出患者体内状况的图像。与传统材料相比，这种弛豫铁电体具有较强的反应性，能够生成更为精密的信号，进而提高图像质量。2D图像在一定程度上较为模糊，取而代之的3D图像能够帮助医生更加准确地诊断病痛原因、评估产前状况、引导活体组织检查，以及评估患者在心脏病发作后身体受损情况。
此外，采用这种新型材料还能实现超声波的聚焦，进而以非侵入式的方法治疗肿瘤或胆结石。这种技术能够使指定的波束穿过组织，同时不会对组织造成伤害。之后，波束会汇聚在目标上，并发挥作用，原理与光透过放大镜后点燃纸张一样。
橡树岭国家实验室研究人员兼该文第一作者Michael Manley表示，我们从原子层面了解了，为什么这种材料会对电场具有如此强烈的机械反应性，并且其形状和大小会在此影响下发生变化这一研究结果，为研制出性能更为卓越的制动器和传感器奠定了基础。与传统多晶形材料相比，这种新型压电晶体在受到电场作用影响后会产生更强的机械力。
橡树岭国家实验室领导小组意外发现，弛豫基础性铁电体性能卓越的关键在于少量材料--纳米极化区域(polar nanoregions)中发生的振动，其中一些正离子和负离子的位置会发生细微变化，因此形成几个较小的电极区域。弛豫铁电晶体机械反应性的基础在于较大的电子对齐域内(约20微米)发生的循环，而对于那些肉眼可见的极化循环区域而言，整个区域内的原子层都必须相互替换或剪切彼此周围的部分。
纳米极化区域仅为2纳米宽，因此能够通过降低对该铁电晶体的剪切抗性来大幅提升机电耦合性，如实现电能和机械能的相互转化。
了解纳米极化区域对材料性能的改善方式，对于研究除弛豫基础性铁电体之外的很多化学无序结构材料，如形状记忆性合金、巨型磁动电阻器、磁性半导体和某些超导体等，都具有极其重要的意义。
最新研究采用中子散射法测定了晶格动力学和局部结构，进而揭示了巨型机电耦合的基础。
传统的铁电材料都较为僵硬，因此其较大的域很难发生旋转。但是在这种具有极强反应性的新型弛豫基础性铁电体中，纳米极化区域的振动会与周围晶格的振动结合产生混合振动。而这种混合振动能够以更加柔和且低能耗的方式完成剪切，这更易于宏观极化区域进行旋转。这也意味着当受到电场影响时，这种新型材料会产生较大的机械反应。
Manley指出，本研究的本质在于，正是因为那些纳米区域和普通晶格之间会发生相互作用，所以该材料能够在受到较小电场作用时产生较大的机械反应。下一步，我们将通过研究进一步了解弹性属性工程相关措施的限度。
