Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Pekín han encontrado un nuevo uso para la omnipresente diapositiva de PowerPoint:producir estructuras de origami tridimensionales auto-plegables a partir de polímeros líquidos fotocurables.

La técnica consiste en proyectar un patrón en escala de grises de formas claras y oscuras sobre una capa delgada de polímero de acrilato líquido colocado en una placa o entre dos portaobjetos de vidrio. Un material fotoiniciador mezclado con el polímero inicia una reacción de reticulación cuando lo golpea la luz de un proyector LED ordinario. provocando la formación de una película sólida. Un tinte absorbente de luz en el polímero sirve como regulador de la luz. Debido a la complicada interacción entre la evolución de la red polimérica y la contracción del volumen durante el fotopolimerización, las áreas del polímero que reciben menos luz exhiben un comportamiento de flexión más aparente.

Cuando la película de polímero recién creada se retira del polímero líquido, la tensión creada en la película por la contracción diferencial hace que comience el plegado. Para hacer las estructuras de origami más complejas, los investigadores arrojan luz sobre ambos lados de las estructuras. Las estructuras de origami producidas hasta ahora incluyen mesas diminutas, cápsulas flores pájaros y el pliegue tradicional de miura-ori, todos de aproximadamente media pulgada de tamaño.

Las estructuras de origami podrían tener aplicaciones en robots blandos, microelectrónica, actuadores suaves, metamateriales mecánicos y dispositivos biomédicos.

"La idea básica de nuestro método es utilizar el fenómeno de contracción de volumen durante la fotopolimerización, "dijo Jerry Qi, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff en Georgia Tech. "Durante un tipo específico de fotopolimerización, fotopolimerización frontal, la resina líquida se cura continuamente desde el lado bajo irradiación ligera hacia el lado interior. Esto crea un campo de tensión no uniforme que hace que la película se doble a lo largo de la dirección de la trayectoria de la luz ".

Los detalles del trabajo están programados para ser publicados el 28 de abril en la revista. Avances de la ciencia . La investigación fue apoyada por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el Consejo de Becas de China. Se cree que es la primera aplicación para crear estructuras de origami auto-plegables mediante el control de la contracción del volumen durante la fotopolimerización con patrones.

El proceso que crea el fenómeno de contracción se considera perjudicial en otros usos del polímero.

"Siempre se asumió que la contracción del volumen del polímero era perjudicial en la fabricación de compuestos y en la tecnología de impresión 3-D convencional, "dijo Daining Fang, coautor del artículo y profesor de la Universidad de Pekín cuando se realizó la investigación. "Nuestro trabajo muestra que con un cambio de perspectiva, este fenómeno puede resultar bastante útil ". Fang se encuentra ahora en el Instituto de Tecnología de Beijing.

Para hacer las formas más complejas con flexión en ambas direcciones, los investigadores pueden voltear la película estampada para crear una reticulación en el otro lado.

"Hemos desarrollado dos tipos de procesos de fabricación, "dijo Zeang Zhao, un doctorado estudiante de Georgia Tech y de la Universidad de Pekín. "En el primero, puede hacer brillar el patrón de luz hacia una capa de resina líquida, y luego obtendrás la estructura de origami. En el segundo es posible que deba voltear la capa y hacer brillar un segundo patrón. Este segundo proceso le brinda una libertad de diseño mucho más amplia ".

Se ilumina la película durante cinco a diez segundos, que produce una película de aproximadamente 200 micrones de espesor. "Las áreas que reciben luz se vuelven sólidas; las otras partes del patrón permanecen líquidas, y luego la estructura se puede quitar del polímero líquido, "dijo Qi." La técnica es muy simple ".

La fotopolimerización frontal es un proceso en el que una película de polímero se cura continuamente desde un lado en una capa gruesa de resina líquida. En presencia de una fuerte atenuación de la luz, el frente de solidificación se inicia en la superficie tras la iluminación y se propaga hacia el lado del líquido a medida que aumenta el tiempo de irradiación. El proceso se puede ajustar delicadamente controlando el tiempo de iluminación y la intensidad de la luz, y el método se ha utilizado para fabricar dispositivos de microfluidos y sintetizar micropartículas.

Los investigadores utilizaron diacrilato de poli (etilenglicol) en esta demostración, pero la técnica debería funcionar con una amplia gama de polímeros fotocurables. Se usó un tinte naranja en la demostración, pero otros tintes pueden producir estructuras en una gama de colores diferentes.

Para la prueba de principio, Zhao creó un patrón de PowerPoint a mano. Para escalar el proceso, el sistema podría conectarse a una herramienta de diseño asistido por computadora (CAD) para generar patrones de escala de grises más precisos.

Qi cree que la técnica podría usarse para producir estructuras de hasta una pulgada de tamaño. "El auto-plegado requiere películas relativamente delgadas que podrían no ser posibles en estructuras más grandes, " él dijo.

Qi añadido, "Hemos desarrollado un enfoque simple para doblar una delgada hoja de polímero en complicadas estructuras de origami tridimensionales. Nuestro enfoque no está limitado por materiales específicos, y el patrón es tan simple que cualquier persona con PowerPoint y un proyector podría hacerlo ".