Origami is een papiervouwproces dat meestal met kinderspel wordt geassocieerd, meestal om een ​​in papier gevouwen kraanvogel te vormen, maar het is de laatste tijd een fascinerend onderzoeksonderwerp. Op origami geïnspireerde materialen kunnen mechanische eigenschappen bereiken die moeilijk te bereiken zijn in conventionele materialen, en materiaalwetenschappers onderzoeken nog steeds dergelijke constructies op basis van origami-mozaïekpatroon op moleculair niveau.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Nature Communications Eunji Jin en een onderzoeksteam op het gebied van chemie en deeltjesversnelling aan het Ulsan National Institute of Science and Technology, Republiek Korea, beschreven de ontwikkeling van een tweedimensionaal porfyrine-metaal-organisch raamwerk, zelf-geassembleerd uit zinkknopen en op porfyrine-linkers gebaseerde over origami-mozaïekpatroon.

Het team combineerde theorie en experimentele resultaten om origami-mechanismen aan te tonen die ten grondslag liggen aan het 2D porfyrinische metaal-organische raamwerk met de flexibele linker als draaipunt. De 2D-mozaïekpatroon verborgen in het 2D metaal-organische raamwerk onthulde origami-moleculen op moleculair niveau.

De wiskunde en de wetenschap van het papiervouwen

De kunst van het papiervouwen, ook wel bekend als origami, strekt zich nu verder uit dan deze niche en omvat wetenschap, techniek, architectuur en andere industrieën. De lijst met origami-toepassingen wordt steeds groter, zoals blijkt uit zonnecellen, elektronica en biomedische apparaten. De lengteschalen die voor origami worden gebruikt, zijn ook geëvolueerd van de meter naar de nanoschaal, met nauwe relaties met origami-mozaïekpatronen zoals Miura-ori, oppervlakken met dubbele golf, Yoshimura en vierkante patronen om er maar een paar te noemen. Elke origami-mozaïek bevat vergelijkbare of herhalende patronen, hoewel mozaïeken zeer inzetbare blauwdrukken zijn om mechanische metamaterialen te construeren met een negatieve Poisson-ratio; een exotische mechanische eigenschap.

Ondanks de opkomst van een verscheidenheid aan op origami geïnspireerde materialen, blijft het bouwen van moleculaire materialen op basis van origami-mozaïekpatronen een uitdaging. Materiaalwetenschappers hebben laten zien hoe het mogelijk is om op origami geïnspireerde materialen te ontwikkelen met behulp van metaal-organische raamwerken die dienen als een ideaal platform met unieke kenmerken die vrijwel onbeperkt zijn en voortreffelijk aanpasbaar. Onderzoekers onderzoeken geometrieën waarbij sprake is van mozaïekpatroon om de verborgen dynamiek van metalen organische raamwerken bloot te leggen.

In dit nieuwe werk beschreven Jin en collega's metaal-organische raamwerken gebaseerd op dubbele golfoppervlakken van origami-mozaïekpatroon die ze assembleerden uit een flexibele porfyrine-linker en een secundaire bouweenheid van zinken schoepenrad. De thermische beweging die in de metaal-organische raamwerken werd onthuld, was afhankelijk van origami-mechanica om ongebruikelijk vouwgedrag te vertonen. Dergelijke metaal-organische raamwerken, gebaseerd op origami-mozaïekpatroon, kunnen binnenkort worden opgenomen als een actieve opkomende klasse van mechanische metamaterialen.

Onthulling van kristalstructuren

Het onderzoeksteam ontwikkelde de PPF 301-kristallen met een zinkporfyrinecomponent via een solvothermische reactie. Deze kristallen vertoonden een lichtpaarse kleur en vertoonden een rechthoekige plaatvorm. Tijdens de experimenten onderging de porfyrinekern metallatie om een ​​zinkion met vijf coördinaten te ontwikkelen. De zelf-geassembleerde 2D-laag van PPF-301 vertoonde een gegolfde structuur met flexibele aryloxygroepen, waarbij de vierkante 2D-structuren waren opgebouwd uit een tetratopische porfyrine-linker. Het team bekeek het synchrotronpoeder-röntgendiffractiepatroon van het "zoals gesynthetiseerde" PPF301-origami-gebaseerde kristalmonster, dat goed overeenkwam met het gesimuleerde patroon. Omdat de oppervlakken met dubbele golf zeer goed inzetbaar waren, vertoonde de PPF301-constructie origamibewegingen gebaseerd op flexibele knooppunten.

De thermische respons en origami-mozaïekpatroon van het PPF301-kristal

Jin en zijn team testten een mogelijke structurele verandering in de PPF301-kristallen door temperatuurafhankelijke synchrotron-röntgendiffractie met één kristal uit te voeren in een versnellerlaboratorium. Tijdens de experimenten maakten ze een kristal in een afgesloten capillair waaraan een kleine hoeveelheid oplosmiddel werd toegevoegd om verlies aan kristalliniteit te voorkomen. De uitzetting van de kristaltussenlagen droeg bij aan een groter celvolume, en hoewel veranderingen in de afstand tussen de lagen aanwezig waren in 2D metaal-organische raamwerken, was de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal aanzienlijk hoger dan die van de vele 2D metaal-organische raamwerken.

Bovendien weken de dubbele golfoppervlakken van het materiaal af en vergeleek het team het experiment en het mechanische model op basis van origami-mozaïekpatroon. Vervolgens hebben ze de oorsprong van de origami-beweging in het metamateriaal vastgesteld op basis van de tweevlakshoek en bindingshoeken van de aryloxygroep, wat heeft bijgedragen aan het 2D-origami-raamwerk van PPF-301.

Mechanische eigenschappen van het origami-metamateriaal

Het onderzoeksteam onderzocht de mechanische eigenschappen van PPF-301 op basis van origamibewegingen en voerde kwantummechanische berekeningen uit om een ​​geoptimaliseerde structuur te construeren, en berekende vervolgens de totale elektronische energie van het construct. Met behulp van maximale en minimale waarden van elastische beperkingen verifieerden ze de richtingsbijdrage van het materiaal. Toen het team mechanische spanning uitoefende, ging de beweging gepaard met veranderingen in de tweevlakshoeken en bindingshoeken in de aryloxygroep.

Eerder hadden materiaalwetenschappers verschillende flexibele metaal-organische raamwerken onderzocht die abnormale eigenschappen hebben, waaronder negatieve lineaire samendrukbaarheid en negatieve Poisson-verhouding. Het is echter moeilijk om flexibele metaal-organische raamwerken in 2D te genereren, hoewel de kenmerken en eigenschappen van het materiaal dat in deze studie werd ontwikkeld geschikt waren voor het gedrag ervan in de vorm van een origami-metamateriaal.

Vooruitzichten

Op deze manier ontdekten Eunji Jin en zijn team dynamische kristallen die het algemene idee van vaste stoffen als niet-dynamische betonnen entiteiten volledig veranderden. De flexibele metaal-organische raamwerken vertoonden een opmerkelijke transformatie op basis van overvloedige moleculaire bouwstenen, organische linkers en metaalknopen. De wetenschappers hebben lokale bewegingen van deze bouwstenen tot stand gebracht, waaronder buig-, draai- en draaigedrag via topologie.

Ze onthulden verborgen dynamisch gedrag van metaal-organische raamwerken met flexibele geometrieën. Het onderzoeksteam handhaafde het inherent verfrommelde patroon van de 2D-laag om een ​​aparte categorie metaal-organische raamwerk-metamaterialen met mechanische eigenschappen te openen. Door de afstand tussen de metalen knooppunten te reguleren op basis van externe stimuli, ontwikkelden ze geavanceerde moleculaire kwantumcomputerprocessen die geschikt zijn voor toekomstige toepassingen van origami-metaalorganische raamwerken.

Meer informatie: Eunji Jin et al, Origamisch metaal-organisch raamwerk voor mechanisch metamateriaal, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

© 2023 Science X Netwerk