折紙技藝是一類富有潛力的工程技術(shù)，但往往只能應(yīng)用在軟質(zhì)可變形的材料上。玻璃材料具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能（如光學(xué)透明度高、硬度大、耐物理/化學(xué)腐蝕等），因此應(yīng)用非常廣泛。具有復(fù)雜三維形狀的玻璃生產(chǎn)附加值高，但相較于聚合物和金屬，其加工手段有限。傳統(tǒng)玻璃制備工藝一般需要高溫熔融或化學(xué)刻蝕。目前，3D打印，作為一類較為先進的復(fù)雜形狀玻璃制備方法，往往受限于層層打印的機理，成型時間長，打印過程需要支撐，且材料表面粗糙度高，需要進行后續(xù)拋光。
受折紙技術(shù)的啟發(fā)，謝濤教授團隊制備了納米二氧化硅-動態(tài)共價聚合物復(fù)合薄膜。復(fù)合材料要滿足以下兩個要求：
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第一，復(fù)合薄膜需要保持經(jīng)過折紙技術(shù)變形后的形狀，即使在后續(xù)的高溫?zé)峤夂蜔Y(jié)過程中也不能發(fā)生變形；
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第二，復(fù)合薄膜需要能夠像紙一樣具有可折疊的能力，以便進行后續(xù)變形。
為滿足第一個要求，通過折紙成型后，團隊利用空穴效應(yīng)-動態(tài)鍵交換的物理-化學(xué)協(xié)同塑化機理來固定薄膜的三維形狀。其中，物理塑化機理為，在外力作用下，無機顆粒-聚合物復(fù)合材料往往會發(fā)生顆粒-基體表面解吸附并產(chǎn)生空穴，從而固定形狀。利用物理塑化機理固定的形狀，其固定率較低，但可以在常溫條件下直接成型。而化學(xué)塑化機理為，聚合物基體中的動態(tài)共價鍵可以在特定條件下（例如：高溫）被激活并交換，從而固定形狀。利用化學(xué)塑化機理需要在高溫條件下（130 °C）進行酯鍵交換并成型，但是其形狀固定率較高。因此，研究團隊可以根據(jù)最終的形狀選擇不同的塑化機理，提高了形狀制備的自由度。
圖1. 三維透明折紙玻璃的制備過程。 a 制備流程的圖示。b 通過塑化實現(xiàn)永久形變的兩個機理。c 側(cè)鏈懸掛羥基的動態(tài)聚酯網(wǎng)絡(luò)。d 三維透明玻璃羽毛。標(biāo)尺：1 厘米。e 玻璃羽毛在600度下的耐熱性。標(biāo)尺：1厘米。
為滿足第二個要求，復(fù)合材料需要具備一定力學(xué)性能（如模量和拉伸性能），來應(yīng)對后續(xù)的變形過程。因此，研究團隊對復(fù)合材料的納米顆粒含量進行了探究，并最終確定了具備適宜力學(xué)性能的復(fù)合材料。固定形狀后的復(fù)合薄膜經(jīng)后續(xù)熱處理，即可得到具有復(fù)雜三維形狀的透明玻璃。如圖2所示，“紙鶴”是利用物理塑化機理制備，而“花瓶”和“花”是利用化學(xué)塑化機理制備。相比于3D打印，本工作報道的加工方法成型速度快，無需支撐，且表面粗糙度低，拓寬了復(fù)雜三維玻璃成型的思路。
圖2. 透明折紙玻璃的實物制備。標(biāo)尺：1厘米。
該工作利用化學(xué)塑化和物理塑化的協(xié)同作用，簡便高效地制備了具有復(fù)雜三維形狀的透明玻璃材料。該研究成果未來有望應(yīng)用于復(fù)雜玻璃器件制備。相關(guān)工作發(fā)表在Nature Communications (Transparent origami glass, Nat. Commun. 2021, 12, 4261)上，文章的第一作者是浙江大學(xué)化工學(xué)院博士生徐洋,通訊作者為謝濤教授和鄭寧博士。
原文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24559-x
Transparent origami glass
Yang Xu, Ye Li, Ning Zheng, Qian Zhao, Tao Xie
Nat. Commun. 2021, 12, 4261
https://doi.org/10.1038/s41467-021-24559-x
