“折紙結構”令陶瓷不再易碎

    美國休斯頓大學團隊將古代折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，有望在醫療義肢、航空航天以及機械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。

    折紙是一門古老的藝術，能賦予多樣形態並調整其特性，而Miura-ori（三浦折疊技術）能將紙張等平面物體，以平行四邊形疊縮的方式，讓紙張等平面物體縮小空間，且展開後依然保持平坦，目前廣泛應用於建築、機械人、航空航天和生物醫學工程等工程領域上。

    三浦折疊是由日本天體物理學家三浦公亮發明的折法。按該方法折疊後會形成特殊的褶皺；只需沿單一軸線方向拉伸，整個結構即可展開成平行四邊形的“棋盤”，要收攏時則反向一推即可。由於陶瓷硬又脆的特性，難以透過傳統的高溫鑄造方式做出複雜精細結構，若要進行折紙設計就需其它方法。

    該研究團隊讓陶瓷前驅體樹脂、二氧化矽組成原料，並透過3D列印的立體光刻(SLA)技術和紫外線固化，將這些原料製成複雜三浦折疊折紙結構。隨後再均勻塗覆七十五至一百微米(μm)厚的聚二甲基矽氧烷(PDMS)塗層，製成這次實驗用陶瓷材料。這次使用的PDMS本身具有生物相容性強、彈性佳的特性。

    研究人員為了測試這項新陶瓷材料的結構強度，先進行靜態與循環壓縮試驗，再透過電腦模擬支援了這次的實驗。結果顯示，類比與實驗結果基本一致，並凸顯PDMS塗層是如何顯著提升陶瓷的拉伸性、抗壓性和韌性。

    實驗中，他們發現該方法製作的陶瓷材料，大幅提高陶瓷材料的拉伸性、抗壓和韌性。同時觀測到有PDMS塗層的陶瓷結構，受到不同方向的壓力時會出現彎曲，若壓力未超過極限，釋壓後可恢復原狀；沒有PDMS塗層的陶瓷，則容易受到一點壓力就快速出現破裂或斷裂的情況。

    休斯頓大學工程助理教授馬克蘇德 · 拉赫曼對該校的新聞室表示，“陶瓷材料在適當的條件下具有生物相容性、輕量和耐用性，但它的失效往往是災難性的。我們的目標是以更安全、有效的方式減緩其災難性失效。”

    團隊指出，折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、智能型機械人及航天器材的創新發展。

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