折紙技藝是一類富有潛力的工程技術，但往往只能應用在軟質可變形的材料上。玻璃材料具有優良的物理化學性能（如光學透明度高、硬度大、耐物理/化學腐蝕等），因此應用非常廣泛。具有復雜三維形狀的玻璃生產附加值高，但相較于聚合物和金屬，其加工手段有限。傳統玻璃制備工藝一般需要高溫熔融或化學刻蝕。目前，3D打印，作為一類較為先進的復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，需要進行后續拋光。
受折紙技術的啟發，謝濤教授團隊制備了納米二氧化硅-動態共價聚合物復合薄膜。復合材料要滿足以下兩個要求：
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第一，復合薄膜需要保持經過折紙技術變形后的形狀，即使在后續的高溫熱解和燒結過程中也不能發生變形；
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第二，復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-動態鍵交換的物理-化學協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-聚合物復合材料往往會發生顆粒-基體表面解吸附并產生空穴，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。而化學塑化機理為，聚合物基體中的動態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 通過塑化實現永久形變的兩個機理。c 側鏈懸掛羥基的動態聚酯網絡。d 三維透明玻璃羽毛。標尺：1 厘米。e 玻璃羽毛在600度下的耐熱性。標尺：1厘米。
為滿足第二個要求，復合材料需要具備一定力學性能（如模量和拉伸性能），來應對后續的變形過程。因此，研究團隊對復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性能的復合材料。固定形狀后的復合薄膜經后續熱處理，即可得到具有復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，拓寬了復雜三維玻璃成型的思路。
圖2. 透明折紙玻璃的實物制備。標尺：1厘米。
該工作利用化學塑化和物理塑化的協同作用，簡便高效地制備了具有復雜三維形狀的透明玻璃材料。該研究成果未來有望應用于復雜玻璃器件制備。相關工作發表在Nature Communications (Transparent origami glass, Nat. Commun. 2021, 12, 4261)上，文章的第一作者是浙江大學化工學院博士生徐洋,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
