Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology en de Universiteit van Peking hebben een nieuwe toepassing gevonden voor de alomtegenwoordige PowerPoint-dia:het produceren van zelfvouwende driedimensionale origami-structuren van fotogeneesbare vloeibare polymeren.

De techniek omvat het projecteren van een grijswaardenpatroon van lichte en donkere vormen op een dunne laag vloeibaar acrylaatpolymeer dat in een plaat of tussen twee glasplaatjes wordt geplaatst. Een foto-initiatormateriaal gemengd in het polymeer initieert een verknopingsreactie wanneer het wordt geraakt door licht van een gewone LED-projector, waardoor een vaste film wordt gevormd. Een lichtabsorberende kleurstof in het polymeer dient als regelaar voor het licht. Vanwege de gecompliceerde interactie tussen de evolutie van het polymeernetwerk en volumekrimp tijdens het uitharden, gebieden van het polymeer die minder licht ontvangen, vertonen een duidelijker buiggedrag.

Wanneer de nieuw gecreëerde polymeerfilm van het vloeibare polymeer wordt verwijderd, de spanning die in de film wordt gecreëerd door de differentiële krimp zorgt ervoor dat het vouwen begint. Om de meest complexe origami-structuren te maken, de onderzoekers schijnen licht op beide zijden van de structuren. Origami-structuren die tot nu toe zijn geproduceerd, omvatten kleine tafels, capsules, bloemen, vogels en de traditionele miura-ori-vouw - allemaal ongeveer een centimeter groot.

De origami-structuren kunnen toepassingen hebben in zachte robots, micro-elektronica, zachte actuatoren, mechanische metamaterialen en biomedische apparaten.

"Het basisidee van onze methode is om gebruik te maken van het fenomeen van volumekrimp tijdens fotopolymerisatie, " zei Jerry Qi, een professor aan de Woodruff School of Mechanical Engineering aan Georgia Tech. "Tijdens een specifiek type fotopolymerisatie, frontale fotopolymerisatie, de vloeibare hars wordt continu vanaf de zijkant onder lichte bestraling naar de binnenkant uitgehard. Dit creëert een niet-uniform spanningsveld dat de film ertoe aanzet om in de richting van het lichtpad te buigen."

Details van het werk zullen naar verwachting op 28 april in het tijdschrift worden gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang . Het onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation, het Air Force Office of Scientific Research en de Chinese Scholarship Council. Er wordt aangenomen dat het de eerste toepassing is die zelfvouwende origami-structuren creëert door de volumekrimp tijdens fotopolymerisatie met patronen te beheersen.

Het proces dat het krimpverschijnsel veroorzaakt, wordt als schadelijk beschouwd bij andere toepassingen van het polymeer.

"Volumekrimp van polymeer werd altijd als schadelijk beschouwd bij de fabricage van composieten en in de conventionele 3D-printtechnologie, " zei Daining Fang, een co-auteur van het artikel en een professor aan de Universiteit van Peking toen het onderzoek werd gedaan. "Ons werk laat zien dat met een verandering van perspectief, dit fenomeen kan heel nuttig worden." Fang zit nu aan het Beijing Institute of Technology.

Om de meest complexe vormen te maken met buigen in beide richtingen, de onderzoekers kunnen de film met patroon omdraaien om aan de andere kant verknoping te creëren.

"We hebben twee soorten fabricageprocessen ontwikkeld, " zei Zeang Zhao, een doctoraat student aan Georgia Tech en Peking University. "In de eerste je kunt het lichtpatroon gewoon naar een laag vloeibare hars schijnen, en dan krijg je de origami-structuur. Bij de tweede, misschien moet je de laag omdraaien en een tweede patroon laten schijnen. Dit tweede proces geeft je een veel grotere ontwerpvrijheid."

Er schijnt vijf tot tien seconden licht op de film, die een film van ongeveer 200 micron dik produceert. "De gebieden die licht ontvangen, worden vast; de andere delen van het patroon blijven vloeibaar, en de structuur kan dan van het vloeibare polymeer worden verwijderd, "zei Qi. "De techniek is heel eenvoudig."

Frontale fotopolymerisatie is een proces waarbij een polymeerfilm continu van één kant wordt uitgehard in een dikke laag vloeibare hars. In aanwezigheid van sterke lichtdemping, het stollingsfront begint aan het oppervlak bij belichting en plant zich voort naar de vloeistofzijde naarmate de bestralingstijd toeneemt. Het proces kan nauwkeurig worden afgesteld door de verlichtingstijd en de lichtintensiteit te regelen, en de methode is gebruikt om microfluïdische apparaten te fabriceren en microdeeltjes te synthetiseren.

De onderzoekers gebruikten bij deze demonstratie poly(ethyleenglycol)diacrylaat, maar de techniek zou moeten werken met een breed scala aan foto-uithardbare polymeren. Bij de demonstratie werd een oranje kleurstof gebruikt, maar andere kleurstoffen kunnen structuren in een reeks verschillende kleuren produceren.

Voor de proof-of-principle, Zhao heeft met de hand een PowerPoint-patroon gemaakt. Om het proces op te schalen, het systeem kan worden aangesloten op een computer-aided design (CAD)-tool voor het genereren van preciezere grijswaardenpatronen.

Qi gelooft dat de techniek kan worden gebruikt om structuren te produceren die wel een inch groot zijn. "Het zelfvouwen vereist relatief dunne films die misschien niet mogelijk zijn in grotere structuren, " hij zei.

Qi toegevoegd, "We hebben een eenvoudige aanpak ontwikkeld om een ​​dunne laag polymeer te vouwen tot gecompliceerde driedimensionale origami-structuren. Onze aanpak wordt niet beperkt door specifieke materialen, en de patronen zijn zo eenvoudig dat iedereen met PowerPoint en een projector het zou kunnen doen."