折纸技艺是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。玻璃材料具有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），因此应用非常广泛。具有复杂三维形状的玻璃生产附加值高，但相较于聚合物和金属，其加工手段有限。传统玻璃制备工艺一般需要高温熔融或化学刻蚀。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。

  受折纸技术的启发，谢涛教授团队制备了纳米二氧化硅-动态共价聚合物复合薄膜。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。 a 制备流程的图示。b 通过塑化实现永久形变的两个机理。c 侧链悬挂羟基的动态聚酯网络。d 三维透明玻璃羽毛。标尺：1 厘米。e 玻璃羽毛在600度下的耐热性。标尺：1厘米。

  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，“纸鹤”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。标尺：1厘米。

  该工作利用化学塑化和物理塑化的协同作用，简便高效地制备了具有复杂三维形状的透明玻璃材料。该研究成果未来有望应用于复杂玻璃器件制备。相关工作发表在Nature Communications (Transparent origami glass, Nat. Commun. 2021, 12, 4261)上，文章的第一作者是浙江大学化工学院博士生徐洋,通讯作者为谢涛教授和郑宁博士。

  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