用玻璃折出纸鹤

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

折纸技艺历史悠久，在全世界广受喜爱，例如庆祝节日、制备手工艺品等。现如今，折纸技艺摇身一变，成为了一类富有潜力的工程技术，但往往只能应用在软质可变形的材料上。玻璃是一类不可或缺的工程材料，因其优良的物理化学性能（如光学透明度高、硬度大、耐物理/化学腐蚀等）具有广泛应用。具有复杂三维形状的玻璃有着很高的生产附加值，但其加工手段有限，传统的制备工艺一般需要高温熔融或化学刻蚀，加工条件较为苛刻。目前，3D打印，作为一类较为先进的复杂形状玻璃制备方法，往往受限于层层打印的机理，成型时间长，打印过程需要支撑，且材料表面粗糙度高，需要进行后续抛光。那么，有没有可能将折纸技艺与玻璃材料结合起来，制备“可以折”的玻璃呢？近日，浙江大学的谢涛（点击查看介绍）团队以纳米二氧化硅-动态共价聚合物复合材料为先驱体，通过变形和高温处理，制备了三维透明折纸玻璃。

为成功制备三维透明折纸玻璃，复合材料要满足以下两个要求：第一，复合薄膜需要保持经过折纸技术变形后的形状，即使在后续的高温热解和烧结过程中也不能发生变形；第二，复合薄膜需要能够像纸一样具有可折叠的能力，以便进行后续变形。为满足第一个要求，通过折纸成型后，团队利用空穴效应-动态键交换的物理-化学协同塑化机理来固定薄膜的三维形状。其中，物理塑化机理为，在外力作用下，无机颗粒-聚合物复合材料往往会发生颗粒-基体表面解吸附并产生空穴，从而固定形状。利用物理塑化机理固定的形状，其固定率较低，但可以在常温条件下直接成型。而化学塑化机理为，聚合物基体中的动态共价键可以在特定条件下（例如：高温）被激活并交换，从而固定形状。利用化学塑化机理需要在高温条件下（130 °C）进行酯键交换并成型，但是其形状固定率较高。因此，研究团队可以根据最终的形状选择不同的塑化机理，提高了形状制备的自由度。

图1. 三维透明折纸玻璃的制备过程及机理。图片来源：Nat. Commun.

为满足第二个要求，复合材料需要具备一定力学性能（如模量和拉伸性能），来应对后续的变形过程。因此，研究团队对复合材料的纳米颗粒含量进行了探究，并最终确定了具备适宜力学性能的复合材料。固定形状后的复合薄膜经后续热处理，即可得到具有复杂三维形状的透明玻璃。如图2所示，“鹤”是利用物理塑化机理制备，而“花瓶”和“花”是利用化学塑化机理制备。相比于3D打印，本工作报道的加工方法成型速度快，无需支撑，且表面粗糙度低，拓宽了复杂三维玻璃成型的思路。

图2. 透明折纸玻璃的实物制备。图片来源：Nat. Commun.

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是浙江大学化工学院博士生徐洋。

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Transparent origami glass

Yang Xu, Ye Li, Ning Zheng, Qian Zhao, Tao Xie

Nat. Commun., 2021, 12, 4261, DOI: 10.1038/s41467-021-24559-x

谢涛教授简介

谢涛教授，浙江大学“求是”讲席教授，国家杰出青年科学基金获得者。1993年毕业于浙江大学化学系高分子专业，1996年及1997年分别获得浙江大学高分子及比利时鲁汶大学化学系硕士，2001年获美国马萨诸塞大学安赫施特分校高分子科学与工程博士学位。2001年至2012年任职于通用汽车公司全球研发部（高级研究员及主任研究员），2012年至2013年任职于美国HRL实验室（高级主任研究员）。2013年至今在浙江大学任教。

近年来从事多功能智能高分子材料基础及应用研究，在形状记忆高分子、仿生智能高分子、3D和4D打印等方向取得了多项重要研究成果。近年来作为通讯作者在包括Nature，Science Advances，Nature Communications, Advanced Materials，Angewandte Chemie International Edition，Advanced Functional Materials等期刊发表多篇学术论文。拥有超过70项美国，德国，日本，中国及世界专利。研究成果多次被国际权威科学媒体广泛报道，其中包括麻省理工技术综述(两次)，英国皇家化学会会刊《化学世界》，美国化学会会刊，美国材料研究协会在线《MRS 360》(三次)。多次组织国际学术会议并在作为非组织人时做邀请报告，其中包括美国化学会年会、美国材料研究协会年会、国际响应刺激材料年会。曾获美国Conte国家高分子研究中心杰出研究奖（2001年），美国通用汽车公司最高科学奖（Campbell奖）（2011年），美国制造工程师协会2011年年度创新奖及2013年研发100奖（R&D100 Award）。2016年获得国家杰出青年科学基金。

https://www.x-mol.com/university/faculty/21698 

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：我们团队有一个先导工作(Adv. Mater., 2019, 31, 1807326)，利用硅-氧动态共价键交换机理制备了具有三维形状的多级陶瓷材料，但这项研究所制备的陶瓷材料在光学性能方面有一些缺憾。因此，我们希望能够利用动态共价交换机理来制备玻璃材料，以满足未来光学器件的潜在应用。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：主要挑战是复合材料成型后的高温热解-烧结过程的探索。由于我们团队是高分子背景，在无机材料、粉末烧结等方面了解较少，因此用了大量时间探索。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：由于这项研究提出了一个快速简便的制备三维透明玻璃的方法，我们相信在一些需要复杂三维形状的光学器件领域有潜在应用场景。