连固体都能折叠？开发出可像纸一样折叠的超材料

by Kim Yongu

Published 19 Dec.2023 09:09(KST)

Updated 05 Aug.2025 14:03(KST)

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UNIST Choi Wonyoung教授团队，用折纸结构制备金属有机骨架

可作为分子级材料应用于量子计算等领域，发表于《Nature Communications》

原本表示“因凝固而不发生变形”的“固体（固體）”一词，如今需要一个可以替代的新名称。

研究人员将按一定方式折叠的折纸原理加以应用，开发出了一种新物质。能够像纸一样折叠的固体型超材料被研发出来，由此开启了新的应用可能性。

蔚山科学技术院（UNIST，校长 Lee Yonghoon）19日表示，化学系 Choi Wonyoung 教授团队与 Min Seunggyu 教授团队基于折纸（Origami）图案，开发出了二维金属有机骨架（Metal-Organic Framework，MOF）。

研究中还观测到了此前在分子尺度难以确认的折纸形式的工作机理。

折纸已经超越单纯的游戏形式，对工程、建筑等多个领域产生影响。尤其是折纸的工作原理已扩展至技术领域，被广泛应用于从太阳能电池到医疗器械等多个方面。

多种折纸结构图案及利用这些图案制备的应用材料示意图。

开发出的二维金属有机骨架。

迄今为止，虽然受折纸原理启发的材料持续被开发出来，但在“分子尺度”上进行材料开发仍是一项艰巨课题。

为制造能够像折纸一样发生形变的骨架结构，研究团队合成了金属节点（Metal Node）和有机配体（Organic Ligand）。金属有机骨架可根据构成成分的特性，为固体材料赋予柔韧性。

研究团队通过测量与电波和光类似的波长——X射线的衍射现象，对制备出的二维金属有机骨架进行了分析。结果表明，该骨架会对温度变化作出响应，并表现出类似折纸的工作原理。

研究团队还根据结构变化发现了材料特性之一——负泊松比（NPR）的特征。泊松比是指大多数物体在水平方向受力时会在垂直方向伸长，而表现出在垂直方向收缩特性的系数。

研究团队分析认为，这一特殊现象的主要原因在于由柔性结构构成要素组成的金属有机骨架，其内部结构排布方式所致。

材料固有的柔韧性使得类似折纸的运动成为可能。这种特性是具有自然界中难以找到的性质的超材料所呈现的典型特点，预计将在各类新材料开发领域得到应用。

第一作者研究员 Jin Eunji 表示：“本研究在分子尺度上为折纸工作原理打开了新的可能性，并提出了‘基于折纸的金属有机骨架’这一概念。”

Jin 研究员还称：“本研究加深了对金属有机骨架运动的理解，并提出了其在机械超材料领域的潜在应用可能性。”

化学系教授 Choi Wonyoung 表示：“在分子尺度上实现类似折纸运作的运动，相当于发现了具有独特力学特性的新材料”，“对多种官能团的探索以及对折纸工作原理的研究，为今后量子计算发展等特定应用领域开辟了新路径。”

UNIST研究团队。（圆圈内）第一作者研究员 Jin Eunji，（后排自左起）研究员 Lee Junghye、特聘教授 Kang Eunyeong、研究员 Nam Juhan、研究员 Cho Hyunsoo，（前排自左起）教授 Choi Wonyoung、教授 Min Seunggyu、研究员 Lee Inseong。

本次研究结果已于12月1日在线发表在国际知名学术期刊《自然》（Nature）的姊妹刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。研究由科学技术信息通信部旗下韩国研究财团（National Research Foundation of Korea，NRF）的中坚研究者支援项目、未来氢源头技术开发项目、先导研究中心支援项目（SRC）、全球博士培养项目（Global Ph.D. Fellowship，GPF）以及韩国环境产业技术院（Korea Environmental Industry & Technology Institute，KEITI）的资助共同完成。

本研究由 Choi Wonyoung 教授团队的 Jin Eunji、Yang Changmo、Nam Juhan、Cho Hyunsu、Kang Eunyeong、Lee Junghye、Noh Hyukjun 研究员参与，Min Seunggyu 教授团队的 Lee Inseong 研究员以及浦项加速器研究所的 Moon Dohyun 博士共同参与。