前沿 | 哈工大《Advanced Science》：当MOF遇见折纸，可编程超材料诞生记

解决的问题：

1. 传统超材料功能单一：其微观结构固定且均匀，限制了实现多样化力学性能和适应不同应用需求的能力。

2. 缺乏可重构性与可编程性：难以在制造后灵活调整材料的刚度、泊松比等关键力学参数。

提出的方法：

1. 仿生设计灵感：借鉴金属有机框架（MOFs）规则的三维多面体网络拓扑结构。

2. 折纸工程化实现：将MOF的分子构筑单元概念转化为宏观的、可折叠的多面体折纸单元。

3. 模块化与可编程策略：通过在不同折痕处添加约束和弹性体，衍生出三种具有不同运动路径（CP, LP, FP）和力学特性的基本模块。这些模块可作为“材料像素”，通过不同的连接与网络化方式组装，构建出整体性能可编程的超材料。

实现的效果：

1. 多样化的力学性能：单个模块即可实现准零刚度（优异缓冲）、正刚度（高承载）、双稳态以及泊松比从负值到正值的特性。

2. 可编程的宏观材料：通过组合基本模块，能够精确设计和调控整个超材料网络的泊松比（在-0.5至1范围内连续可调）和变形模式。

3. 卓越的应用性能：实验证明，所制备的超材料在减震应用中，相比传统泡沫材料，能显著降低冲击回弹高度和速度，吸收更多能量，表现更优。

创新点：

1. 跨尺度灵感迁移：首次将MOFs的分子级网络化学与拓扑设计原理，成功应用于宏观机械超材料的结构设计，实现了从分子拓扑到宏观几何的巧妙映射。

2. 分岔行为利用：利用多面体折纸固有的运动分岔特性，从一个共同构型衍生出多种具有截然不同力学响应的模块，简化了设计并丰富了功能。

3. 真正的性能可编程：提出了一个通用的模块化平台，通过像拼装积木一样组合具有不同特性的基础单元，能够系统性地、可预测地“编程”出具有定制化泊松比和刚度曲线的超材料，突破了传统超材料功能固定的限制。

4. 刚柔耦合设计：通过简单的在刚性折纸折痕处集成弹性体，即可实现复杂的可变刚度与双稳态行为，方法巧妙且易于制造。

摘要：

图1：超材料的制作流程