科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

美國(guó)休斯敦大學(xué)團(tuán)隊(duì)將古代折紙藝術(shù)的設(shè)計(jì)理念與現(xiàn)代材料科學(xué)相結(jié)合，開發(fā)出一種新型陶瓷結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在壓力下雖然彎曲但不會(huì)斷裂，展現(xiàn)出前所未有的柔韌性和強(qiáng)度。這項(xiàng)技術(shù)為輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料的應(yīng)用開辟了新路徑，有望在醫(yī)療假肢、航空航天以及機(jī)器人等對(duì)抗沖擊性能要求較高的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。相關(guān)研究成果發(fā)表于新一期《先進(jìn)復(fù)合材料和混合材料》期刊。

傳統(tǒng)陶瓷因其高硬度和耐熱性被廣泛應(yīng)用，但其固有的脆性也限制了其在動(dòng)態(tài)或高應(yīng)力環(huán)境中的使用。一旦受到外力擠壓，陶瓷極易開裂甚至粉碎，難以勝任需要形變適應(yīng)能力的場(chǎng)景。然而，這項(xiàng)新研究通過引入柔性設(shè)計(jì)理念，成功突破了這一局限。

團(tuán)隊(duì)借助一種被稱為Miura-ori的經(jīng)典折紙圖案，利用3D打印技術(shù)制造出具有復(fù)雜折疊結(jié)構(gòu)的陶瓷框架。Miura-ori是一種可將平面材料壓縮成更小空間但仍保持平整特性的折疊方式，廣泛用于工程和空間展開系統(tǒng)中。隨后，他們?cè)谠摻Y(jié)構(gòu)表面涂覆了一層可拉伸且具備生物相容性的聚合物，從而賦予陶瓷全新的機(jī)械性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種經(jīng)過聚合物涂層處理的陶瓷結(jié)構(gòu)，在不同方向施加壓力時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗壓能力和彈性恢復(fù)能力。相比之下，沒有涂層的傳統(tǒng)陶瓷則在相同條件下迅速開裂或斷裂。研究人員還在靜態(tài)與循環(huán)壓縮條件下對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，并結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證了其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，涂層結(jié)構(gòu)在陶瓷原本最脆弱的方向上展現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的韌性。

團(tuán)隊(duì)指出，折紙不僅是視覺藝術(shù)的一種形式，更是一種極具潛力的功能性設(shè)計(jì)工具。它為解決生物醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域的材料挑戰(zhàn)提供了全新思路。這項(xiàng)研究展示出如何通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在本質(zhì)上脆弱的材料中引入靈活、強(qiáng)韌的新特性。未來，這類結(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于更多高性能材料的研發(fā)，推動(dòng)醫(yī)療設(shè)備、智能機(jī)器人及航天器材的創(chuàng)新發(fā)展。