_ Metoda modernă de origami creează forme de sticlă prin pliere

Arta antică a origami este binecunoscută pentru transformarea foilor de hârtie și a altor materiale pliabile în forme complexe 3D. Dar acum, inginerii chimiști au extins practica veche de secole pentru a produce forme complicate din sticlă sau alte materiale dure. Metoda lor complet modernă, care poate fi combinată cu imprimarea 3D, ar putea avea aplicații variind de la sculptură la cataliză și nu numai.

Cercetătorii își vor prezenta rezultatele astăzi la reuniunea de primăvară a Societatea Americană de Chimie (ACS). ACS Spring 2023 este o întâlnire hibridă care se desfășoară virtual și în persoană între 26 și 30 martie și include peste 10.000 de prezentări pe o gamă largă de subiecte științifice.

În lucrările anterioare, cercetătorii au folosit origami și tehnica conexă a kirigami - care combină tăierea cu plierea - pentru a modela materiale moi din polimeri. „Dar am vrut să extindem aceste tehnici la sticlă și ceramică, care sunt mult mai greu de prelucrat în forme complexe decât polimerii”, spune Tao Xie, Ph.D., investigatorul principal al proiectului.

De obicei, sticla iar ceramica sunt modelate într-o matriță sau sunt imprimate 3D în structura finală dorită. Dar o matriță nu poate produce o formă complicată, spune Xie. Și, deși imprimarea 3D poate face acest lucru, este lentă, iar un obiect poate fi subțire și poate avea nevoie de sprijin suplimentar în timp ce este realizat. În plus, articolul imprimat are de obicei o textură stratificată care ar putea să nu fie aspectul ideal. Echipa și-a propus să vadă dacă ar putea depăși aceste neajunsuri.

Yang Xu, o studentă absolventă care lucrează în laboratorul lui Xie de la Universitatea Zhejiang, a conceput o tehnică în care ea a amestecat nanoparticule de silice — ingredientul principal pentru confecţionarea sticlei — într-un lichid care conţine mai mulţi compuşi. Întărirea amestecului cu lumină ultravioletă a produs un polimer de policaprolactonă reticulat cu mărgele minuscule de silice suspendate în el, ca stafidele din pâinea cu stafide.

În continuare, Xu a tăiat, îndoit, răsucit și tras pe foile acestui translucid. compozit polimeric, care are proprietăți mecanice asemănătoare hârtiei, pentru a face o macara, o pană, o vază de dantelă și o sferă din panglici împletite, printre alte obiecte. Dacă a făcut acest lucru la temperatura camerei, compozitul și-a păstrat noua formă destul de bine pe parcursul etapelor de producție rămase. Xu a descoperit că acest lucru se datorează faptului că procesul de pliere și întindere perturbă ireversibil interfața dintre unele dintre particulele de silice și matricea polimerică. Dar dacă este esențial să păstrăm pe deplin noua formă în timpul pașilor următori, Xu a descoperit că compozitul trebuie încălzit la aproximativ 265 F atunci când este pliat și întins. Aceasta rearanjează permanent legăturile dintre lanțurile polimerice, fixând ferm noua formă în loc.

O etapă ulterioară de încălzire la peste 1.100 F îndepărtează polimerul de policaprolactonă din obiect și îl transformă în opac. După răcire, o a treia etapă de încălzire, cunoscută sub numele de sinterizare, topește particulele de silice împreună la temperaturi de peste 2.300 F pentru a transforma obiectul în sticlă transparentă, cu o textură netedă, fără straturi. Obținerea acestei transparențe depline s-a dovedit a fi cea mai mare provocare a proiectului. Includerea mai multor polimeri în amestec a făcut ca obiectele să fie mai ușor de pliat, dar a redus transparența lor finală, explică Xu, care prezintă lucrarea la întâlnire. În cele din urmă, ea a găsit concentrațiile potrivite de polimer și silice pentru a face compromisuri cu succes între acele priorități concurente.

În cea mai recentă lucrare, Xu extinde metoda dincolo de sticlă la ceramică, înlocuind silicea cu substanțe precum dioxidul de zirconiu și dioxid de titan. În timp ce sticla este fragilă și inertă, acești compuși deschid posibilitatea de a produce obiecte „funcționale”, cum ar fi materiale care sunt mai puțin fragile decât sticla sau care au proprietăți catalitice.

Grupul experimentează, de asemenea, o combinație de kirigami și imprimare 3D pentru a realiza forme și mai complexe. „Când îndoiți o bucată de hârtie, nivelul de complexitate este oarecum limitat, iar imprimarea 3D este cam lentă”, spune Xie. „Așa că am vrut să vedem dacă am putea combina aceste două tehnici pentru a profita de atributele lor atractive. Asta ne-ar oferi libertatea de a face aproape orice piesă modelată.”

În domeniul catalizatorului, notează Xie, oamenii folosesc imprimarea 3D pentru a realiza structuri ceramice perforate cu canale microscopice, care măresc suprafața expusă a catalizatorului. Metoda lui Xu ar putea permite modele mai complicate pentru astfel de aplicații și, ca caz de testare, ea a imprimat o rețea 3D perforată realizată din compozit silice-polimer (structura roșie în imaginea însoțitoare).

Xu notează că ea procesul ar putea fi automatizat pentru producția la scară largă. Ea și Xie speră că ceramica și comunitățile artistice vor afla despre lucrare și o vor aplica în designul catalizatorului și sculpturii, precum și în alte scopuri la care cercetătorii nici măcar nu s-au gândit încă.

(Fluierul)