【2025年04月30日訊】(記者吳瑞昌綜合報導)科學界持續探索現有材料,想要從中尋找更多可能性。這次,美國一所大學將日本傳統摺紙文化融入現代材料科學中,讓原本的陶瓷材料取得突破性進展,開發出一種在壓力下會彎曲、不會破裂的新型陶瓷結構,有望用於醫療領域上。
陶瓷材料因耐高溫、硬度高、抗壓性強、生物相容性及優異複合特性被廣泛用於醫療、材料科學、器皿、建築、航天等領域上。不過,陶瓷材料易碎,促使科學家積極尋找更多改進方法。
這次,美國休斯頓大學(University of Houston, UH)機械和航空航天研究團隊為了實現這一目標,透過3D打印、三浦摺疊(Miura-ori)與柔軟聚合物塗層,將原本易碎的陶瓷轉變成堅韌且靈活的新材料,有望用於醫療義肢、航天和機器人領域。該項研究成果於4月發表在《先進複合材料和混合材料》雜誌上。
摺紙是一門古老的藝術,能賦予多樣形態並調整其特性,而三浦摺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、機器人、航空航天和生物醫學工程等工程領域上。
三浦摺疊是由日本天體物理學家三浦公亮發明的折法。按該方法摺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,若要進行摺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打印的立體光刻(SLA)技術和紫外線固化,將這些原料製成複雜三浦摺疊摺紙結構。隨後再均勻塗覆75至100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,模擬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。
靜態壓縮試驗顯示,PDMS塗層陶瓷材料在不同方向的韌性提升幅度不同:X軸(先前最不堅硬方向)增加860%,Y軸增加517%,Z軸增加27%。
實驗人員表示,這次實驗探索三浦摺疊是否能改變陶瓷材料的脆性,並觀測彈性塗層是否能改善陶瓷材料出現災難性的故障。而我們得到的答案是肯定的,並發現彈性塗層不僅能提高摺紙結構的韌性,還能阻止陶瓷材料的裂紋擴展。這些發現有望在未來應用到義肢和其它醫療領域上。
休斯頓大學工程助理教授馬克蘇德‧拉赫曼(Maksud Rahman)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。」
休斯頓大學工程的博士後研究員穆罕默德‧沙傑杜爾‧霍克‧塔庫爾(Md Shajedul Hoque Thakur)則表示,「摺紙幾何形狀賦予陶瓷機械適應性,聚合物塗層賦予陶瓷具有足夠的柔韌性,防止它快速出現斷裂。」
拉赫曼教授強調,「摺紙不僅是一門藝術,更是一種強大的設計工具,可以幫助我們應對生物醫學和工程領域上的挑戰。這項研究證明折疊模式,是如何賦予脆弱材料新功能。」