Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een techniek ontwikkeld die licht gebruikt om tweedimensionale (2-D) plastic platen te laten buigen in driedimensionale (3D) structuren. zoals bollen, buizen of kommen.

De vooruitgang bouwt voort op eerder werk van hetzelfde onderzoeksteam, die zich richtte op zelfvouwende 3D-structuren. De belangrijkste vooruitgang hier is dat in plaats van dat het plastic langs scherpe lijnen vouwt - in veelhoekige vormen zoals kubussen of piramides - het plastic buigt en buigt.

Onderzoekers Michael Dickey, een professor in chemische en biomoleculaire engineering aan NC State, en Jan Genzer, de S. Frank en Doris Culberson Distinguished Professor in dezelfde afdeling, waren vroege leiders op het gebied van zelfvouwende 3D-structuren. In hun baanbrekende artikel uit 2011 de onderzoekers schetsten een techniek waarbij een conventionele inkjetprinter wordt gebruikt om dikke zwarte lijnen op een voorgespannen plastic vel af te drukken. Het plastic vel werd vervolgens in een gewenst patroon gesneden en onder een infraroodlicht geplaatst, zoals een warmtelamp.

De gedrukte lijnen absorbeerden meer energie van het infraroodlicht dan de rest van het materiaal, waardoor het plastic opwarmt en samentrekt, waardoor een scharnier ontstaat dat de vellen in 3D-vormen vouwt. Door de breedte van de afgedrukte lijnen te variëren, of scharnieren, de onderzoekers waren in staat om te veranderen hoe ver - en hoe snel - elk scharnier vouwt. De techniek is compatibel met commerciële druktechnieken, zoals zeefdruk, roll-to-roll printen, en inkjetdruk, die goedkoop en met een hoge doorvoer zijn, maar inherent 2-D.

Maar nu gebruiken ze een vergelijkbare aanpak om een ​​heel ander resultaat te bereiken.

"Door het aantal lijnen en de verdeling van inkt op het oppervlak van het materiaal te regelen, we kunnen een willekeurig aantal gebogen vormen produceren, " zegt Dikkie, co-corresponderende auteur van een paper over de zelf-curving plastics. "Alle vormen gebruiken dezelfde hoeveelheid inkt; het is gewoon een kwestie van waar de inkt op het plastic wordt aangebracht."

"Ons werk is geïnspireerd door de natuur, omdat natuurlijke vormen zelden scherpe vouwen bevatten, in plaats daarvan kiezen voor kromming, " zegt Amber Hubbard, een doctoraatsstudent bij NC State en co-hoofdauteur van het papier. "En dat vonden we, om functionele objecten te maken, we moesten vaak een combinatie van gebogen en gevouwen vormen gebruiken.

"Andere onderzoekers hebben technieken ontwikkeld om zelfbuigende materialen te maken, maar dat deden ze met zachte materialen, zoals hydrogels, " Hubbard voegt toe. "Ons werk is de eerste poging om hetzelfde te bereiken met thermoplasten - die sterker en stijver zijn dan de zachte materialen. Dat maakt ze aantrekkelijker voor gebruik bij het uitvoeren van enkele praktische acties, zoals het grijpen van een object."

"De materialen waarmee we werken, behouden ook hun vorm, zelfs nadat het licht is verwijderd, " zegt Russell Mailen, een doctoraatsstudent bij NC State en co-hoofdauteur van het papier. "Dat is een voordeel, omdat zachte materialen alleen van vorm veranderen als ze worden blootgesteld aan een oplosmiddel, en als ze eenmaal uit het oplosmiddel zijn verwijderd, verliezen ze hun vorm."

De onderzoekers hebben ook een rekenmodel ontwikkeld dat kan worden gebruikt om de 3D-vorm te voorspellen die door een bepaald printpatroon zal worden geproduceerd.

"Een van onze doelen is om dit model te verfijnen, die Mailen ontwikkelde, "Genzer, co-corresponderende auteur, staten. "Uiteindelijk, we willen graag een gewenste 3D-vorm in het model kunnen invoeren en het een patroon laten maken dat we kunnen printen en produceren."

De krant, "Controleerbare kromming van vlakke polymeerplaten als reactie op licht, " is gepubliceerd in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Zachte materie en werd door het tijdschrift geselecteerd om op de omslag te verschijnen.