用玻璃折出千纸鹤，浙大杭州科创中心谢涛团队再出新成果

玻璃，是一种透明易碎的脆性物质，玻璃杯，工艺品、玻璃窗、显示屏……因为优异的光学透明度、耐磨性以及热、化学稳定性，玻璃如今已经渗入到我们生活的方方面面。然而与聚合物和金属相比，传统的玻璃成型是在高温或化学蚀刻等恶劣条件下进行的，它的加工选择非常有限。

但是您想过吗？如今，玻璃也可以像一张纸一样，叠出一只千纸鹤！

近日，浙江大学杭州国际科创中心谢涛团队等报道了一种利用折纸技术制作三维透明玻璃的策略。相关工作以“Transparent origami glass”（透明折纸玻璃）为题于近期发表在《Nature Communications》（《自然-通讯》）上。

折纸玻璃来了！

这种特殊材料是通过固化填充有二氧化硅纳米颗粒的液体前体而获得。科研工作者用这种特殊液体制作成薄膜，再像折纸一样，在室温折叠出自己想要的形状，最后通过高温加热等相关手段，就能获得的透明玻璃制品。

听上去很简单，但是实现这个过程可不容易。科研人员要攻克两个难点。第一，该工艺要能使折纸变形片材料在高温热解步骤中保持折叠后的形状。聚合物通常具有熵弹性，当加热到热转变温度以上时，它们将自然恢复到“折纸”前的原始未变形几何形状。第二，该工艺要能使变形材料像纸片一样可折叠，这要求它具有合适的机械性能(模量和拉伸性)。

为了让“折纸玻璃”变成现实，团队使用动态共价网络聚合物作为基质，通过网络重排产生不可恢复的变形，通过设计聚酯网络，利用侧链悬挂的羟基和酯之间的交换反应导致永久变形，成功生产出玻璃千纸鹤，玻璃羽毛等产品，这些产品均具有优异的热稳定性。

这种复合材料的变形有两个机理，一是共价键交换，共价键交换机理的形状固定率较高，但要在高温下固定形状；二是在外力作用下，纳米填充颗粒和聚合物基体间产生空穴，从而导致了不可逆的形变。空穴化机理形状固定率较低，但可以在室温条件成型。大家可以根据所需的形状自由选择变形机理。

科研人员说，变形前的“千纸鹤”体内的网络共价键好比许多小朋友手拉手围成一个圆圈，变形就相当于要变成一个正方形，小朋友们于是就一边松手一边跑到新的位置，然后再拉起手形成了一个正方形。相同的小朋友代表材料的分子组成没有发生变化，而圆形和正方形的转换则表示材料的宏观形状发生了改变。“圆圈”变“正方形”的过程中，我们的实验材料就从一张不透明的“折纸”变成了敲起来邦邦响的玻璃。

“折纸变玻璃”背后的神奇“颗粒”

想要“折纸变玻璃”，首先需要微调聚合物复合材料。而这种特殊的材料是怎么制成的呢？

科研人员将二氧化硅纳米颗粒(50纳米)分散在含有反应性聚己内酯二丙烯酸酯和4-羟基丙烯酸丁酯以及烧结助剂(苯氧乙醇)、紫外线固化引发剂、酯交换催化剂和溶剂(二甲基甲酰胺)的液体混合物中。

事实上，正是这种二氧化硅纳米颗粒掺入，对折纸玻璃的形成，起到了非常关键的作用。

实验中，科研人员发现：3D形状的聚合物复合材料可以通过热解和烧结变成透明玻璃。在该过程中，首先通过热解有机支架将复合材料转变成多孔中间体。随后的真空烧结步骤将多孔中间体变成透明玻璃。烧结后的线性收缩率为46%，残余质量约为29%，与纳米填料含量一致。

此外，将复合生坯的折纸变形性与玻璃制造相结合，还可以生产具有复杂3D几何形状的透明折纸玻璃。

先根据设计好的二维模型将复合生坯激光切割成所需的图案或使用数字投影光直接产生平切图案，平面薄膜再通过折纸技术永久变形。总体来看所有的折纸都具有很高的几何保真度。

科研人员表示，传统的玻璃制造需要条件比较苛刻，新型的3D玻璃需要模具等设备支撑。相比之下，折纸玻璃技术更为便捷，不需要使用模具，具有大规模生产的潜质。

同时由于不需要使用模具，折纸玻璃也不需要受到传统玻璃制作工艺的限制，可以制造出一些更加复杂的造型，不仅可以运用在工艺品的制作上，未来还可以运用在一些特殊零器件的制造上。

内容来源：谢涛团队供稿

本文编辑：吴瑶瑶 孔晓睿

校对：晨曦

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