El origami es un proceso de plegado de papel generalmente asociado con el juego infantil principalmente para formar una grulla doblada en papel, pero recientemente es un tema de investigación fascinante. Los materiales inspirados en el origami pueden alcanzar propiedades mecánicas que son difíciles de lograr con materiales convencionales, y los científicos de materiales todavía están explorando este tipo de construcciones basadas en teselación de origami a nivel molecular.
En un nuevo informe publicado ahora en Nature Communications , Eunji Jin y un equipo de investigación en química y aceleración de partículas en el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan, República de Corea, describieron el desarrollo de una estructura organometálica porfirínica bidimensional, autoensamblada a partir de nodos de zinc y conectores de porfirina basados en sobre teselado de origami.
El equipo combinó teoría y resultados experimentales para demostrar los mecanismos de origami que subyacen a la estructura organometálica porfirínica 2D con el conector flexible como punto de pivote. La teselación 2D oculta dentro de la estructura organometálica 2D reveló moléculas de origami a nivel molecular.
El arte de doblar papel, también conocido como origami, ahora se extiende más allá de ese nicho a la ciencia, la ingeniería, la arquitectura y otras industrias. La lista de aplicaciones del origami se está ampliando, como lo demuestran las células solares, la electrónica y los dispositivos biomédicos. Las escalas de longitud utilizadas para el origami también han evolucionado del metro a la nanoescala, con estrechas relaciones con los teselados de origami como Miura-ori, superficies de doble corrugación, Yoshimura y patrones cuadrados, por nombrar algunos. Cada teselación de origami contiene patrones similares o repetidos, aunque las teselaciones son planos altamente desplegables para construir metamateriales mecánicos con una relación de Poisson negativa; una propiedad mecánica exótica.
A pesar de la llegada de una variedad de materiales inspirados en el origami, construir materiales moleculares basados en teselados de origami sigue siendo un desafío. Los científicos de materiales han demostrado cómo es posible desarrollar materiales inspirados en el origami utilizando estructuras organometálicas que sirven como una plataforma ideal con características únicas que son prácticamente ilimitadas y exquisitamente personalizables. Los investigadores están explorando geometrías que implican teselación para descubrir la dinámica oculta de las estructuras metalorgánicas.
En este nuevo trabajo, Jin y sus colegas describieron estructuras organometálicas basadas en superficies de doble corrugación de teselado de origami que ensamblaron a partir de un conector de porfirina flexible y una unidad de construcción secundaria de rueda de paletas de zinc. El movimiento térmico revelado en las estructuras organometálicas dependía de la mecánica del origami para mostrar comportamientos de plegado inusuales. Estas estructuras organometálicas basadas en mosaicos de origami pronto podrán incorporarse como una clase emergente activa de metamateriales mecánicos.
Revelando estructuras cristalinas
El equipo de investigación desarrolló los cristales de PPF 301 con un componente de porfirina de zinc mediante una reacción solvotérmica. Estos cristales mostraban un color púrpura pálido y presentaban una forma de placa rectangular. Durante los experimentos, el núcleo de porfirina se metaló para desarrollar un ion zinc de cinco coordenadas. La capa 2D autoensamblada de PPF-301 mostró una estructura corrugada con grupos ariloxi flexibles, donde las estructuras cuadradas 2D se construyeron a partir de un conector porfirínico tetratópico. El equipo observó el patrón de difracción de rayos X del polvo de sincrotrón de la muestra de cristal basada en origami PPF301 "como sintetizada", que coincidía bien con el patrón simulado. Dado que las superficies de doble corrugación eran altamente desplegables, la construcción PPF301 mostró un movimiento de origami basado en puntos nodales flexibles.
Jin y su equipo probaron un posible cambio estructural en los cristales PPF301 realizando difracción de rayos X de monocristal sincrotrón dependiente de la temperatura en un laboratorio de aceleradores. Durante los experimentos, prepararon un cristal en un capilar sellado al que se añadió una pequeña cantidad de disolvente para evitar la pérdida de cristalinidad. La expansión de las capas intermedias de cristal contribuyó a un aumento del volumen de la celda, y si bien se presentaron cambios en el espaciado de las capas intermedias en las estructuras organometálicas 2D, el coeficiente de expansión térmica del material fue significativamente mayor que el de muchas estructuras organometálicas 2D.
Además, las superficies de doble corrugación del material se desviaron y el equipo comparó el experimento y el modelo mecánico basado en teselación de origami. Luego identificaron el origen del movimiento del origami en el metamaterial en el ángulo diédrico y los ángulos de enlace del grupo ariloxi, lo que contribuyó a la estructura de origami 2D de PPF-301.
Propiedades mecánicas del metamaterial de origami
El equipo de investigación investigó las propiedades mecánicas de PPF-301 basándose en el movimiento del origami y realizó cálculos de mecánica cuántica para construir una estructura optimizada y luego calculó las energías electrónicas totales de la construcción. Utilizando valores máximos y mínimos de restricciones elásticas, verificaron la contribución direccional del material. Cuando el equipo aplicó tensión mecánica, el movimiento acompañó a cambios en los ángulos diédricos y los ángulos de enlace en el grupo ariloxi.
Anteriormente, los científicos de materiales habían examinado varias estructuras organometálicas flexibles que tienen propiedades anormales, incluida la compresibilidad lineal negativa y la relación de Poisson negativa. Sin embargo, es difícil generar estructuras organometálicas flexibles en 2D, aunque las características y propiedades del material desarrollado en este estudio eran adecuadas para su comportamiento en forma de metamaterial de origami.
De esta manera, Eunji Jin y su equipo descubrieron cristales dinámicos que cambiaron por completo la idea general de los sólidos como entidades concretas no dinámicas. Los marcos organometálicos flexibles mostraron una transformación notable basada en abundantes bloques de construcción moleculares, conectores orgánicos y nodos metálicos. Los científicos lograron movimientos locales de estos bloques de construcción, incluidos comportamientos de flexión, torsión y rotación a través de la topología.
Revelaron comportamientos dinámicos ocultos de estructuras organometálicas con geometrías flexibles. El equipo de investigación mantuvo el patrón inherentemente arrugado de la capa 2D para abrir una categoría distinta de metamateriales de estructura organometálica con propiedades mecánicas. Al regular la distancia entre los nodos metálicos ante estímulos externos, desarrollaron procesos avanzados de computación cuántica molecular adecuados para futuras aplicaciones de estructuras metalorgánicas de origami.
Más información: Eunji Jin et al, Marco organometálico origamico hacia el metamaterial mecánico, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
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