I ricercatori del Georgia Institute of Technology e dell'Università di Pechino hanno scoperto un nuovo uso per l'onnipresente diapositiva PowerPoint:produrre strutture di origami tridimensionali auto-pieganti da polimeri liquidi fotopolimerizzabili.

La tecnica prevede la proiezione di un modello in scala di grigi di forme chiare e scure su un sottile strato di polimero di acrilato liquido posto in una lastra o tra due vetrini. Un materiale fotoiniziatore miscelato nel polimero avvia una reazione di reticolazione quando viene colpito dalla luce di un normale proiettore a LED, provocando la formazione di una pellicola solida. Un colorante che assorbe la luce nel polimero funge da regolatore della luce. A causa della complicata interazione tra l'evoluzione della rete polimerica e il restringimento del volume durante la fotopolimerizzazione, le aree del polimero che ricevono meno luce mostrano un comportamento di flessione più evidente.

Quando il film polimerico appena creato viene rimosso dal polimero liquido, lo stress creato nel film dal ritiro differenziale provoca l'inizio della piegatura. Per realizzare le strutture di origami più complesse, i ricercatori illuminano entrambi i lati delle strutture. Le strutture di origami prodotte finora includono piccoli tavoli, capsule, fiori, uccelli e la tradizionale piega miura-ori, tutti grandi circa mezzo pollice.

Le strutture di origami potrebbero avere applicazioni in robot morbidi, microelettronica, attuatori morbidi, metamateriali meccanici e dispositivi biomedici.

"L'idea di base del nostro metodo è di utilizzare il fenomeno del restringimento del volume durante la fotopolimerizzazione, " ha detto Jerry Qi, un professore della Woodruff School of Mechanical Engineering presso la Georgia Tech. "Durante un tipo specifico di fotopolimerizzazione, fotopolimerizzazione frontale, la resina liquida viene polimerizzata continuamente dal lato sotto irraggiamento luminoso verso il lato interno. Questo crea un campo di stress non uniforme che spinge il film a piegarsi lungo la direzione del percorso della luce".

I dettagli del lavoro dovrebbero essere pubblicati il ​​28 aprile sulla rivista Progressi scientifici . La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation, l'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica e il Consiglio cinese per le borse di studio. Si ritiene che sia la prima applicazione per creare strutture di origami auto-pieganti attraverso il controllo del restringimento del volume durante la fotopolimerizzazione modellata.

Il processo che crea il fenomeno del ritiro è considerato dannoso in altri usi del polimero.

"Si è sempre ritenuto che il restringimento del volume del polimero fosse dannoso nella fabbricazione di compositi e nella tecnologia di stampa 3D convenzionale, " disse Daning Fang, un coautore dell'articolo e un professore all'Università di Pechino quando la ricerca è stata fatta. "Il nostro lavoro mostra che con un cambio di prospettiva, questo fenomeno può diventare molto utile." Fang è ora al Beijing Institute of Technology.

Per realizzare le forme più complesse con piegature in entrambe le direzioni, i ricercatori possono capovolgere il film modellato per creare reticolazione sull'altro lato.

"Abbiamo sviluppato due tipi di processi di fabbricazione, " disse Zeang Zhao, un dottorato di ricerca studente alla Georgia Tech e alla Peking University. "Nel primo, puoi semplicemente far brillare il motivo luminoso verso uno strato di resina liquida, e poi otterrai la struttura dell'origami. Nella seconda, potrebbe essere necessario capovolgere lo strato e far brillare un secondo motivo. Questo secondo processo ti offre una libertà di progettazione molto più ampia."

La luce viene proiettata sulla pellicola per cinque-dieci secondi, che produce un film di circa 200 micron di spessore. "Le aree che ricevono la luce diventano solide; le altre parti del disegno rimangono liquide, e la struttura può quindi essere rimossa dal polimero liquido, " disse Qi. "La tecnica è molto semplice."

La fotopolimerizzazione frontale è un processo in cui un film polimerico viene polimerizzato continuamente da un lato in uno spesso strato di resina liquida. In presenza di forte attenuazione della luce, il fronte di solidificazione inizia in superficie all'illuminazione e si propaga verso il lato liquido all'aumentare del tempo di irraggiamento. Il processo può essere regolato delicatamente controllando il tempo di illuminazione e l'intensità della luce, e il metodo è stato utilizzato per fabbricare dispositivi microfluidici e sintetizzare microparticelle.

I ricercatori hanno utilizzato poli(etilenglicole) diacrilato in questa dimostrazione, ma la tecnica dovrebbe funzionare con un'ampia gamma di polimeri fotoinduribili. Nella dimostrazione è stato utilizzato un colorante arancione, ma altri coloranti potrebbero produrre strutture in una gamma di colori diversi.

Per la prova di principio, Zhao ha creato a mano un modello PowerPoint. Per scalare il processo, il sistema potrebbe essere collegato a uno strumento di progettazione assistita da computer (CAD) per generare modelli in scala di grigi più precisi.

Qi crede che la tecnica potrebbe essere usata per produrre strutture grandi quanto un pollice. "L'auto-piegatura richiede film relativamente sottili che potrebbero non essere possibili in strutture più grandi, " Egli ha detto.

Aggiunto Qi, "Abbiamo sviluppato un approccio semplice per piegare un sottile foglio di polimero in complicate strutture di origami tridimensionali. Il nostro approccio non è limitato da materiali specifici, e il patterning è così semplice che chiunque con PowerPoint e un proiettore potrebbe farlo."