Die uralte Kunst des Origami ist bekannt dafür, Papierblätter und andere faltbare Materialien in komplexe 3D-Formen zu verwandeln. Aber jetzt haben Chemieingenieure die jahrhundertealte Praxis erweitert, um komplizierte Formen aus Glas oder anderen harten Materialien herzustellen. Ihr durch und durch modernes Verfahren, das mit 3D-Druck kombiniert werden kann, könnte Anwendungen von der Skulptur bis zur Katalyse und darüber hinaus haben.
Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor. ACS Spring 2023 ist ein hybrides Treffen, das vom 26. bis 30. März virtuell und persönlich abgehalten wird und mehr als 10.000 Präsentationen zu einer Vielzahl von wissenschaftlichen Themen bietet.
In früheren Arbeiten verwendeten die Forscher Origami und die verwandte Kirigami-Technik, die Schneiden mit Falten kombiniert, um weiche Materialien aus Polymeren zu formen. „Aber wir wollten diese Techniken auf Glas und Keramik ausdehnen, die viel schwieriger zu komplexen Formen zu verarbeiten sind als Polymere“, sagt Tao Xie, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts.
Typischerweise werden Glas und Keramik in einer Form geformt oder in der gewünschten Endstruktur 3D-gedruckt. Aber eine Form kann keine komplizierte Form erzeugen, sagt Xie. Und obwohl der 3D-Druck dies kann, ist er langsam, und ein Objekt kann schwach sein und zusätzliche Unterstützung benötigen, während es hergestellt wird. Darüber hinaus hat das gedruckte Objekt normalerweise eine mehrschichtige Textur, die möglicherweise nicht das ideale Aussehen hat. Das Team machte sich auf den Weg, um zu sehen, ob sie diese Mängel überwinden könnten.
Yang Xu, eine Doktorandin, die in Xies Labor an der Zhejiang-Universität arbeitet, entwickelte eine Technik, bei der sie Nanopartikel aus Siliziumdioxid – dem Hauptbestandteil für die Glasherstellung – in eine Flüssigkeit mischte, die mehrere Verbindungen enthielt. Das Härten der Mischung mit ultraviolettem Licht erzeugte ein vernetztes Polycaprolacton-Polymer mit darin suspendierten winzigen Kieselerdekügelchen, wie Rosinen in Rosinenbrot.
Als nächstes schnitt, faltete, drehte und zog Xu an Blättern dieses durchscheinenden Polymerverbundstoffs, der ähnliche mechanische Eigenschaften wie Papier hat, um unter anderem einen Kranich, eine Feder, eine Spitzenvase und eine Kugel aus ineinander verschlungenen Bändern herzustellen. Wenn sie dies bei Raumtemperatur tat, behielt das Komposit seine neue Form während der verbleibenden Produktionsschritte ziemlich gut bei. Xu entdeckte, dass dies daran liegt, dass der Falt- und Streckprozess die Grenzfläche zwischen einigen der Silikapartikel und der Polymermatrix irreversibel unterbricht. Aber wenn es wichtig ist, die neue Form während der nachfolgenden Schritte vollständig beizubehalten, fand Xu heraus, dass der Verbundstoff auf etwa 265 F erhitzt werden muss, wenn er gefaltet und gedehnt wird. Dadurch werden die Verbindungen zwischen den Polymerketten dauerhaft neu angeordnet und die neue Form fest fixiert.
Ein anschließender Erwärmungsschritt bei mehr als 1.100 F entfernt das Polycaprolacton-Polymer von dem Objekt und macht es undurchsichtig. Nach dem Abkühlen schmilzt ein dritter Erwärmungsschritt, bekannt als Sintern, die Silikapartikel bei Temperaturen über 2.300 F zusammen, um das Objekt in klares Glas mit einer glatten, nicht geschichteten Textur umzuwandeln. Diese vollständige Transparenz zu erreichen, erwies sich als größte Herausforderung des Projekts. Das Einfügen von mehr Polymer in die Mischung erleichterte das Falten der Objekte, verringerte jedoch ihre endgültige Transparenz, erklärt Xu, der die Arbeit bei dem Treffen vorstellt. Sie fand schließlich die richtigen Konzentrationen von Polymer und Kieselsäure, um erfolgreich einen Kompromiss zwischen diesen konkurrierenden Prioritäten zu finden.
In ihrer neuesten Arbeit weitet Xu die Methode über Glas hinaus auf Keramik aus und ersetzt das Siliziumdioxid durch Substanzen wie Zirkoniumdioxid und Titandioxid. Während Glas spröde und inert ist, eröffnen diese Verbindungen die Möglichkeit, „funktionale“ Gegenstände herzustellen, etwa Materialien, die weniger zerbrechlich als Glas sind oder katalytische Eigenschaften haben.
Die Gruppe experimentiert auch mit einer Kombination aus Kirigami und 3D-Druck, um noch komplexere Formen herzustellen. „Wenn Sie ein Blatt Papier falten, ist die Komplexität etwas begrenzt und der 3D-Druck ist etwas langsam“, sagt Xie. „Also wollten wir sehen, ob wir diese beiden Techniken kombinieren können, um ihre attraktiven Eigenschaften zu nutzen. Das würde uns die Freiheit geben, fast jedes geformte Teil herzustellen.“
Auf dem Gebiet der Katalysatoren, bemerkt Xie, verwenden Menschen 3D-Druck, um Keramikstrukturen herzustellen, die mit mikroskopisch kleinen Kanälen perforiert sind, die die exponierte Oberfläche eines Katalysators vergrößern. Xus Methode könnte kompliziertere Designs für solche Anwendungen ermöglichen, und als Testfall hat sie ein durchbohrtes 3D-Gitter aus dem Silica-Polymer-Verbundstoff gedruckt (rote Struktur im beigefügten Bild).
Xu merkt an, dass ihr Prozess für die Massenfertigung automatisiert werden könnte. Sie und Xie hoffen, dass die Keramik- und Künstlergemeinschaften von der Arbeit erfahren und sie im Katalysator- und Skulpturdesign sowie für andere Zwecke anwenden, an die die Forscher noch nicht einmal gedacht haben.
Mehr Informationen:
ACS Frühjahr 2023: Transparentes Origami-Glas, www.acs.org/meetings/acs-meetings/spring-2023.html