在航天領(lǐng)域，一個困擾科學(xué)家數(shù)十年的難題，竟被來自中國天津的科研團隊以一種充滿創(chuàng)意的方式破解了。他們從中國民間傳統(tǒng)折紙藝術(shù)中汲取靈感，成功研發(fā)出一種能在極端溫度變化下保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的三維熱膨脹超材料，這一突破性成果登上了國際頂級期刊《先進材料》的封面。

自1957年人類發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來，太空中的“熱脹冷縮”問題就一直讓航天科學(xué)家們頭疼不已。想象一下，一顆造價高昂的衛(wèi)星在軌道上高速飛行，當(dāng)它從地球陰影進入陽光直射區(qū)域時，表面溫度會在短時間內(nèi)急劇上升數(shù)百攝氏度。這種極端的溫度變化會導(dǎo)致衛(wèi)星的光學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生微小形變，而對于需要高精度觀測的光學(xué)衛(wèi)星來說，哪怕是微米級的形變，都可能使整個衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)失去價值。傳統(tǒng)解決這一問題的方法是使用熱膨脹系數(shù)較低的特殊材料，如鈦合金，但這類材料價格昂貴，且仍無法完全避免微小形變。

1996年，有論文提出了一種新思路：將材料像“搭樂高”一樣排列組合，創(chuàng)造出“超材料”，通過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)任意變形效果。然而，這一理論在很長時間內(nèi)都未能被科學(xué)家實現(xiàn)。直到2024年，科研團隊發(fā)現(xiàn)借鑒折紙概念，將“阿基米德截角八面體”設(shè)計折疊成三維結(jié)構(gòu)，可使其自由而均勻地收縮。但這仍不足以解決材料遇熱變化的問題。

關(guān)鍵突破在于“雙金屬片”的引入。由鎳合金和鐵鎳合金這兩種不同熱膨脹系數(shù)的金屬復(fù)合而成的“雙金屬片”，在溫度變化時會發(fā)生彎曲。科研團隊將“雙金屬片”與折紙結(jié)構(gòu)相結(jié)合，創(chuàng)造出一種隨溫度變化自主調(diào)節(jié)的智能超材料。這種材料就像裝上了自動調(diào)溫器，溫度升高時結(jié)構(gòu)自動收縮，溫度降低時結(jié)構(gòu)自動膨脹。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，將一個個小的單胞重新排列組合，還能實現(xiàn)零熱膨脹的效果。

這種三維熱膨脹超材料非常適合用于星載定位天線的指向機構(gòu)。不過，它也存在一定缺陷，由于孔隙率較大，承載能力較弱，目前僅能用于零重力環(huán)境。目前，科研團隊制造出的超材料尺寸還比較大，他們的理想目標(biāo)是讓它像鋼板一樣致密、平整，這意味著構(gòu)成超材料的每個單獨“胞元”需達到納米級別。雖然以目前的加工能力還難以實現(xiàn)，但這一創(chuàng)新為未來材料科學(xué)的發(fā)展開辟了新的道路。