摺紙結構陶瓷“彎而不斷”

科技日報北京4月29日電 （記者張夢然）美國休斯敦大學團隊將古代摺紙藝術的設計理念與現代材料科學相結合，開發出一種新型陶瓷結構。這種結構在壓力下雖然彎曲但不會斷裂，展現出前所未有的柔韌性和強度。這項技術為輕質、高強度材料的應用開闢了新路徑，有望在醫療假肢、航空航天以及機器人等對抗衝擊性能要求較高的領域發揮重要作用。相關研究成果發表於新一期《先進複合材料和混合材料》期刊。

傳統陶瓷因其高硬度和耐熱性被廣泛應用，但其固有的脆性也限制了其在動態或高應力環境中的使用。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能力的場景。然而，這項新研究通過引入柔性設計理念，成功突破了這一侷限。

團隊藉助一種被稱為Miura-ori的經典摺紙圖案，利用3D打印技術製造出具有複雜摺疊結構的陶瓷框架。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摺疊方式，廣泛用於工程和空間展開系統中。隨後，他們在該結構表面塗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械性能。

實驗結果顯示，這種經過聚合物塗層處理的陶瓷結構，在不同方向施加壓力時表現出優異的抗壓能力和彈性恢復能力。相比之下，沒有塗層的傳統陶瓷則在相同條件下迅速開裂或斷裂。團隊還在靜態與循環壓縮條件下對這些結構進行了系統測試，並結合計算機模擬驗證了其實驗結果。數據顯示，塗層結構在陶瓷原本最脆弱的方向上展現出顯著增強的韌性。

團隊指出，摺紙不僅是視覺藝術的一種形式，更是一種極具潛力的功能性設計工具。它為解決生物醫學和工程領域的材料挑戰提供了全新思路。這項研究展示出如何通過巧妙的結構設計，在本質上脆弱的材料中引入靈活、強韌的新特性。未來，這類結構有望應用於更多高性能材料的研發，推動醫療設備、智能機器人及航天器材的創新發展。