L’art ancien de l’origami est bien connu pour transformer des feuilles de papier et d’autres matériaux pliables en formes 3D complexes. Mais maintenant, les ingénieurs chimistes ont étendu la pratique séculaire pour produire des formes complexes en verre ou autres matériaux durs. Leur méthode résolument moderne, qui peut être combinée à l’impression 3D, pourrait avoir des applications allant de la sculpture à la catalyse et au-delà.
Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd’hui lors de la réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS).
En règle générale, le verre et la céramique sont façonnés dans un moule ou sont imprimés en 3D dans la composition finale souhaitée. Mais un moule ne peut pas produire une forme compliquée, dit Xie. Et bien que l’impression 3D puisse le faire, elle est lente et un objet peut être fragile et nécessiter un soutien supplémentaire lors de sa fabrication. De furthermore, l’article imprimé a généralement une texture en couches qui n’est peut-être pas l’apparence idéale. L’équipe a entrepris de voir si elle pouvait surmonter ces lacunes.
Yang Xu, une étudiante diplômée qui travaille dans le laboratoire de Xie à l’Université du Zhejiang, a mis au point une technique dans laquelle elle a mélangé des nanoparticules de silice – le principal ingrédient pour fabriquer du verre – dans un liquide contenant plusieurs composés. Le durcissement du mélange avec de la lumière ultraviolette a produit un polymère de polycaprolactone réticulé avec de minuscules billes de silice en suspension, comme des raisins secs dans du agony aux raisins.
Ensuite, Xu a découpé, plié, tordu et tiré des feuilles de ce composite polymère translucide, qui a des propriétés mécaniques similaires au papier, pour fabriquer une grue, une plume, un vase en dentelle et une sphère faite de rubans entrelacés, entre autres objets. Si elle le faisait à température ambiante, le composite conservait assez bien sa nouvelle forme tout au prolonged des étapes de manufacturing restantes. Xu a découvert que c’est parce que le processus de pliage et d’étirement perturbe de manière irréversible l’interface entre certaines des particules de silice et la matrice polymère. Mais s’il est essentiel de conserver pleinement la nouvelle forme au cours des étapes suivantes, Xu a constaté que le composite doit être chauffé à environ 265 F lorsqu’il est plié et étiré. Cela réorganise en permanence les liens entre les chaînes polymères, fixant fermement la nouvelle forme en area.
Une étape de chauffage ultérieure à plus de 1 100 F enlève le polymère de polycaprolactone de l’objet et le rend opaque. Après refroidissement, une troisième étape de chauffage, connue sous le nom de frittage, fait fondre les particules de silice ensemble à des températures dépassant 2 300 F pour convertir l’objet en verre clear avec une texture lisse et non stratifiée. Atteindre cette transparence totale s’est avéré être le additionally grand défi du projet. Inclure plus de polymère dans le mélange a rendu les objets moreover faciles à plier mais a réduit leur transparence finale, explique Xu, qui présente le travail lors de la réunion. Elle a finalement trouvé les bonnes concentrations de polymère et de silice pour réussir à trouver un compromis entre ces priorités concurrentes.
Dans son dernier travail, Xu étend la méthode au-delà du verre à la céramique, remplaçant la silice par des substances telles que le dioxyde de zirconium et le dioxyde de titane. Alors que le verre est cassant et inerte, ces composés ouvrent la possibilité de réaliser des objets « fonctionnels », comme des matériaux moins fragiles que le verre ou ayant des propriétés catalytiques.
Le groupe expérimente également une combinaison de kirigami et d’impression 3D pour créer des formes encore furthermore complexes. “Lorsque vous pliez une feuille de papier, le niveau de complexité est quelque peu limité et l’impression 3D est plutôt lente”, explique Xie. “Nous avons donc voulu voir si nous pouvions combiner ces deux techniques pour tirer parti de leurs attributs attrayants. Cela nous donnerait la liberté de fabriquer presque n’importe quelle pièce de forme.”
Dans le domaine des catalyseurs, note Xie, les gens utilisent l’impression 3D pour fabriquer des constructions en céramique perforées de canaux microscopiques, ce qui augmente la surface exposée d’un catalyseur. La méthode de Xu pourrait permettre des conceptions moreover complexes pour de telles purposes, et comme cas de check, elle a imprimé un réseau 3D percé en composite silice-polymère (structure rouge dans l’image ci-jointe).
Xu take note que son processus pourrait être automatisé pour une fabrication à grande échelle. Elle et Xie espèrent que les communautés de la céramique et de l’art découvriront le travail et l’appliqueront dans la conception de catalyseurs et de sculptures, ainsi qu’à d’autres fins auxquelles les chercheurs n’ont même pas encore pensé.
Les chercheurs reconnaissent le soutien et le financement de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.