Древнее искусство оригами хорошо известно тем, что позволяет превратить плоские листы бумаги в сложные трехмерные фигуры. Но теперь инженеры-химики расширили совместить эту сложную технику и производство сложных форм из стекла или других твердых материалов. Их совершенно современный метод, который можно комбинировать с 3D-печатью, может найти применение в самых разных областях.
Как правило, стеклу и керамике придают форму или печатают на 3D-принтере желаемую конечную структуру. При помощи формовки нельзя создать нечто сложное, и хотя 3D-печать может это сделать, она медленная, и объект может быть хрупким и нуждаться в дополнительной поддержке во время его создания. Кроме того, печатный элемент обычно имеет многослойную текстуру, что может не соответствовать идеальному внешнему виду.
Специалисты из лаборатории Се в Чжэцзянском университете, разработали метод, при котором они смешивали наночастицы кремнезема — основного ингредиента для изготовления стекла — с жидкостью, содержащую несколько соединений. При отверждении смеси ультрафиолетовым светом образовался сшитый поликапролактоновый полимер с крошечными шариками кремнезема, взвешенными в нем, как изюм в булочке.
Затем химики разрезали, складывали и скручивали получившиеся листы этого полупрозрачного полимерного композита, который имеет механические свойства, подобные бумаге, чтобы сделать журавля, перо, кружевную вазу и сферу из переплетенных лент. При комнатной температуре, композит достаточно хорошо сохранял свою новую форму на всех остальных этапах производства. Если важно полностью сохранить новую форму на последующих этапах, композит должен нагреваться примерно до 265 F, когда он сгибается и растягивается. Это навсегда перестраивает звенья между полимерными цепями, прочно фиксируя новую форму на месте.
Последующий этап нагревания при температуре более 1100 F удаляет полимер поликапролактона с объекта и делает его непрозрачным. После охлаждения на третьем этапе нагревания, известном как спекание, частицы кремнезема сплавляются вместе при температурах, превышающих 2300 F, чтобы превратить объект в прозрачное стекло с гладкой, неслоистой текстурой. Достижение полной прозрачности оказалось самой большой проблемой проекта. Добавление большего количества полимера в смесь облегчило складывание объектов, но уменьшило их конечную прозрачность.
В дальнейших исследованиях команда проекта применила свой метод на керамике, заменяя кремнезем такими веществами, как диоксид циркония и диоксид титана. В то время как стекло является хрупким и инертным, эти соединения открывают возможность производства функциональных объектов, таких как материалы, которые менее хрупки, чем стекло, или обладают каталитическими свойствами.
Группа также экспериментирует с комбинацией киригами и 3D-печати, чтобы создавать еще более сложные формы. Руководитель исследования отмечает, что в области катализаторов люди используют 3D-печать для изготовления керамических структур, перфорированных микроскопическими каналами, которые увеличивают открытую площадь поверхности катализатора. Новый метод может обеспечить более сложные конструкции для таких приложений, и в качестве тестового примера исследователи напечатали перфорированную трехмерную решетку из композита кремний-полимер (красная структура на изображении выше).
Как отмечают авторы, процесс можно автоматизировать для крупномасштабного производства. Они надеются, что керамические и художественные сообщества узнают об их работе и применят ее в дизайне катализаторов и скульптур, а также в других целях, о которых исследователи даже не думали.