L'origami è un processo di piegatura della carta solitamente associato al gioco da bambini, principalmente per formare una gru piegata di carta, ma recentemente è un argomento di ricerca affascinante. I materiali ispirati agli origami possono raggiungere proprietà meccaniche difficili da ottenere con i materiali convenzionali e gli scienziati dei materiali stanno ancora esplorando tali costrutti basati sulla tassellatura degli origami a livello molecolare.
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Nature Communications , Eunji Jin e un gruppo di ricerca in chimica e accelerazione delle particelle presso l'Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan, Repubblica di Corea, hanno descritto lo sviluppo di una struttura metallo-organica porfirinica bidimensionale, autoassemblata da nodi di zinco e linker porfirinici a base sulla tassellatura degli origami.
Il team ha combinato teoria e risultati sperimentali per dimostrare i meccanismi degli origami alla base della struttura metallo-organica porfirinica 2D con il linker flessibile come punto cardine. La tassellatura 2D nascosta all'interno della struttura metallo-organica 2D ha svelato le molecole di origami a livello molecolare.
L’arte di piegare la carta, nota anche come origami, ora si estende oltre quella nicchia e si estende alla scienza, all’ingegneria, all’architettura e ad altri settori. L'elenco delle applicazioni degli origami si sta ampliando, come esemplificato dalle celle solari, dall'elettronica e dai dispositivi biomedici. Anche le scale di lunghezza utilizzate per gli origami si sono evolute dal metro alla nanoscala, con strette relazioni con le tassellazioni degli origami come Miura-ori, superfici a doppia ondulazione, Yoshimura e motivi quadrati per citarne alcuni. Ogni tassellatura di origami contiene modelli simili o ripetuti, sebbene le tassellature siano progetti altamente utilizzabili per costruire metamateriali meccanici con un rapporto di Poisson negativo; una proprietà meccanica esotica.
Nonostante l’avvento di una varietà di materiali ispirati agli origami, costruire materiali molecolari basati sulle tassellazioni degli origami rimane una sfida. Gli scienziati dei materiali hanno dimostrato come sia possibile sviluppare materiali ispirati agli origami utilizzando strutture metallo-organiche che fungono da piattaforma ideale con caratteristiche uniche, praticamente illimitate e squisitamente personalizzabili. I ricercatori stanno esplorando le geometrie che coinvolgono la tassellatura per scoprire le dinamiche nascoste delle strutture metallo-organiche.
In questo nuovo lavoro, Jin e colleghi hanno descritto strutture metallo-organiche basate su superfici a doppia ondulazione di tassellatura di origami che hanno assemblato da un collegamento flessibile in porfirina e un'unità di costruzione secondaria con ruota a pale in zinco. Il movimento termico rivelato nelle strutture metallo-organiche dipendeva dalla meccanica degli origami per mostrare comportamenti di piegatura insoliti. Tali strutture metallo-organiche basate sulla tassellazione degli origami potranno presto essere incorporate come una classe emergente attiva di metamateriali meccanici.
Svelamento delle strutture cristalline
Il gruppo di ricerca ha sviluppato i cristalli PPF 301 con un componente di porfirina di zinco attraverso una reazione solvotermica. Questi cristalli mostravano un colore viola pallido e mostravano una forma a piastra rettangolare. Durante gli esperimenti, il nucleo di porfirina è stato sottoposto a metallazione per sviluppare uno ione zinco a cinque coordinate. Lo strato 2D autoassemblato di PPF-301 mostrava una struttura ondulata con gruppi arilossi flessibili, dove le strutture quadrate 2D erano costruite da un linker porfirinico tetratopico. Il team ha osservato il modello di diffrazione dei raggi X della polvere di sincrotrone del campione di cristallo basato su origami PPF301 "come sintetizzato", che si adattava bene al modello simulato. Poiché le superfici a doppia ondulazione erano altamente dispiegabili, la struttura PPF301 mostrava movimenti di origami basati su punti nodali flessibili.
Jin e il team hanno testato un possibile cambiamento strutturale nei cristalli PPF301 eseguendo la diffrazione di raggi X a cristallo singolo con sincrotrone dipendente dalla temperatura in un laboratorio con acceleratore. Durante gli esperimenti, hanno preparato un cristallo in un capillare sigillato con l'aggiunta di una piccola quantità di solvente per prevenire la perdita di cristallinità. L'espansione degli strati intermedi di cristallo ha contribuito ad un aumento del volume delle cellule e, sebbene i cambiamenti nella spaziatura tra gli strati fossero presenti nelle strutture metallo-organiche 2D, il coefficiente di espansione termica del materiale era significativamente superiore a quello delle numerose strutture metallo-organiche 2D.
Inoltre, le superfici a doppia ondulazione del materiale si sono discostate e il team ha confrontato l'esperimento e il modello meccanico basato sulla tassellatura degli origami. Hanno quindi individuato l'origine del movimento degli origami nel metamateriale nell'angolo diedro e negli angoli di legame del gruppo arilossi, che hanno contribuito alla struttura dell'origami 2D di PPF-301.
Proprietà meccaniche del metamateriale dell'origami
Il gruppo di ricerca ha studiato le proprietà meccaniche del PPF-301 basandosi sul movimento degli origami e ha eseguito calcoli quantomeccanici per costruire una struttura ottimizzata, quindi ha calcolato le energie elettroniche totali del costrutto. Utilizzando i valori massimi e minimi dei vincoli elastici, hanno verificato il contributo direzionale del materiale. Quando il team ha applicato stress meccanico, il movimento ha accompagnato i cambiamenti negli angoli diedro e negli angoli di legame nel gruppo arilossi.
In precedenza, gli scienziati dei materiali avevano esaminato diverse strutture metallo-organiche flessibili che presentavano proprietà anomale, tra cui la comprimibilità lineare negativa e il rapporto di Poisson negativo. Tuttavia, è difficile generare strutture metallo-organiche flessibili 2D, sebbene le caratteristiche e le proprietà del materiale sviluppato in questo studio fossero adatte al suo comportamento sotto forma di metamateriale origami.
In questo modo, Eunji Jin e il suo team hanno scoperto cristalli dinamici che hanno cambiato completamente l’idea generale dei solidi come entità concrete non dinamiche. Le strutture flessibili metallo-organiche hanno mostrato una notevole trasformazione basata su abbondanti elementi costitutivi molecolari, linker organici e nodi metallici. Gli scienziati hanno realizzato movimenti locali di questi elementi costitutivi, inclusi comportamenti di flessione, torsione e rotazione attraverso la topologia.
Hanno svelato comportamenti dinamici nascosti di strutture metallo-organiche con geometrie flessibili. Il team di ricerca ha mantenuto il modello intrinsecamente accartocciato dello strato 2D per aprire una categoria distinta di metamateriali con struttura metallo-organica con proprietà meccaniche. Regolando la distanza tra i nodi metallici in base a stimoli esterni, hanno sviluppato processi avanzati di calcolo quantistico molecolare adatti per future applicazioni di strutture metallo-organiche di origami.
Ulteriori informazioni: Eunji Jin et al, Struttura metallo-organica origamica verso metamateriale meccanico, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8
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