你利用折纸创造过什么生活小惊喜？

是这样的实用纸袋收纳盒：

来源：小红书

这样的文艺风纸玫瑰：

还是这样？

折纸太难了，小编选择放弃！

但是你一定想不到，来自中国天津的科学家团队能够利用折纸的灵感，解决几十年都无法突破的航天难题！

就是这样折出来的小结构上了顶刊……

2024年10月，在国际顶级期刊《先进材料》的封面上，一款来自中国的三维热膨胀超材料惊艳亮相。令人惊讶的是，这项突破性研究的灵感竟源于中国民间的折纸艺术。

1.太空中的“热胀冷缩”困境

想象一下，一颗造价数十亿的卫星，在距离地球数百公里的轨道上以几千米每秒的速度飞行。当它从地球的阴影中跃入阳光直射区域时，表面温度会在短时间内飙升几百度。打个不恰当的比方，这比从北极的寒冬直接跳入沸腾的火山口还要刺激……

来源：版权图库

极端的温度变化会导致卫星的光学结构发生微小形变。但不幸的是，对于需要高精度的光学卫星来说，哪怕是微米级的形变，都足以让整个卫星的观测数据失去意义。

模拟光学卫星固定反射镜面的框架，并给框架降温，光点会发生偏移。

自从1957年人类发射第一颗人造卫星以来，这个问题就困扰着航天科学家。传统的解决方案是使用热膨胀系数较低的特殊材料，比如钛合金。但这类材料价格是普通钢材的10倍以上，且仍然存在微小形变。

2.折纸“搭乐高”，拯救卫星

一篇1996年的论文曾提供了另外一种思路，可以将材料像“搭乐高”一样排列组合，创造出一种“超材料”，利用它的内部结构，实现任意变形的效果，但并没有科学家实现这一理论。

可收缩的三维结构

直到2024年，科学家们终于发现，借鉴折纸的概念，将“阿基米德截角八面体”通过设计折叠变成三维结构，可以让它实现自由而均匀地收缩。但这仍然不能解决材料遇热变化的问题。

“阿基米德截角八面体”，有点像足球是怎么回事？

关键的突破来自于“双金属片”的引入。由镍（合金）、铁镍合金这两种不同热膨胀系数的金属复合而成的“双金属片”，在温度变化时会发生弯曲。通过将“双金属片”与折纸结构结合，就能创造出随温度变化自主调节的智能超材料。

这就像是给材料装上了自动调温器。温度升高时，结构会自动收缩；温度降低时，结构会自动膨胀。通过调整结构设计，把一个个小的单胞重新排列组合，还能够实现零热膨胀的效果。

正负热膨胀演示

8个单胞组成的零热膨胀结构

听起来的确像是科幻小说的情节。一种超材料能在高温时自动收缩，低温时自行膨胀，甚至可以实现绝对零变形？但这就是中国科研团队的最新突破。

3.我什么时候能用上这种超材料？

科学家们研发的三维热膨胀超材料非常适合用于星载的定位天线的指向机构上，然而，这种材料也有一定的缺陷，因为孔隙率较大，承载能力较弱，它暂时仅能用于零重力的环境。

科研团队负责人陈焱教授表示：“我们下一步也会在这个基础上来研究同时具备零热膨胀的、能减震的、承重的超材料。”

另外，现在科学家们制造出的超材料尺寸还比较大，但他们的理想目标是让它像一块钢板那样致密、平整。这意味着构成超材料的每个单独的“胞元”都必须做得极其微小，差不多得达到纳米级别。

虽然该目标以目前的加工能力还难以实现，但在或许在不久的将来，我们就能用上根据温度变化自动调节缝隙大小的门窗、能根据体温变化自动调整形状的骨骼植入物……

作者：殷欣琪、何慧子

编辑：Tiara

鸣谢：天津大学博士后 王天枢 为本文提供科学指导