Исследователи представят свои результаты сегодня на весеннем собрании Американского химического общества (ACS).

В более ранней работе исследователи использовали оригами и связанную с ним технику киригами, которая сочетает в себе вырезание и складывание, для придания формы мягким материалам из полимеров. "Но мы хотели распространить эти методы на стекло и керамику, которые гораздо сложнее перерабатывать в сложные формы, чем полимеры", - говорит Тао Се, доктор философии, главный исследователь проекта.

Как правило, стекло и керамика формуются в пресс-форме или печатаются на 3D-принтере с желаемой конечной структурой. Но пресс-форма не может придать сложную форму, говорит Се. И хотя 3D-печать может это сделать, она медленная, и объект может быть хрупким и нуждаться в дополнительной поддержке во время его изготовления. Кроме того, печатный элемент обычно имеет многослойную текстуру, которая может выглядеть не идеально. Команда решила посмотреть, смогут ли они преодолеть эти недостатки.

Ян Сюй, аспирантка, работающая в лаборатории Се в Чжэцзянском университете, разработала метод, при котором она смешала наночастицы кремнезема - основного ингредиента для изготовления стекла - с жидкостью, содержащей несколько соединений. При отверждении смеси ультрафиолетовым излучением получался сшитый поликапролактоновый полимер с крошечными гранулами кремнезема, взвешенными в нем, как изюминки в хлебе с изюмом.

Затем Сюй разрезал, сложил, скрутил и натянул листы этого полупрозрачного полимерного композита, который по механическим свойствам схож с бумагой, чтобы сделать журавля, перо, кружевную вазу и сферу из переплетенных лент, среди прочих предметов. Если она делала это при комнатной температуре, композит довольно хорошо сохранял свою новую форму на протяжении остальных этапов производства. Сюй обнаружил, что это происходит потому, что процесс складывания и растяжения необратимо нарушает границу раздела между некоторыми частицами кремнезема и полимерной матрицей. Но если важно полностью сохранить новую форму на последующих этапах, Сюй обнаружил, что композит должен нагреваться при температуре около 265 ° F, когда он складывается и растягивается. Это постоянно перестраивает связи между полимерными цепями, прочно фиксируя новую форму на месте.

Последующая стадия нагрева при температуре более 1100 °F удаляет полимер поликапролактон с объекта и делает его непрозрачным. После охлаждения на третьей стадии нагрева, известной как спекание, частицы кремнезема плавятся вместе при температурах, превышающих 2300 ° F, превращая изделие в прозрачное стекло с гладкой, неслоистой текстурой. Достижение такой полной прозрачности оказалось самой большой проблемой проекта. Добавление большего количества полимера в смесь облегчило складывание объектов, но уменьшило их конечную прозрачность, объясняет Сюй, который представляет работу на встрече. В конечном счете она нашла правильные концентрации полимера и кремнезема, чтобы успешно найти компромисс между этими конкурирующими приоритетами.

В своей последней работе Сюй расширяет этот метод за пределы стекла и применяет его к керамике, заменяя диоксид кремния такими веществами, как диоксид циркония и диоксид титана. В то время как стекло хрупкое и инертное, эти соединения открывают возможность получения "функциональных" объектов, таких как материалы, которые менее хрупки, чем стекло, или обладают каталитическими свойствами.

Группа также экспериментирует с сочетанием киригами и 3D-печати, чтобы создавать еще более сложные формы. "Когда вы складываете лист бумаги, уровень сложности несколько ограничен, а 3D-печать происходит довольно медленно", - говорит Се. "Итак, мы хотели посмотреть, сможем ли мы объединить эти две техники, чтобы воспользоваться их привлекательными свойствами. Это дало бы нам свободу изготавливать детали практически любой формы".

Се отмечает, что в области катализаторов люди используют 3D-печать для изготовления керамических структур, перфорированных микроскопическими каналами, которые увеличивают площадь открытой поверхности катализатора. Метод Сюй мог бы обеспечить более сложные конструкции для таких применений, и в качестве тестового примера она напечатала трехмерную решетку с отверстиями, изготовленную из кремнеземно-полимерного композита (красная структура на прилагаемом изображении).

Сюй отмечает, что ее процесс можно было бы автоматизировать для крупномасштабного производства. Она и Се надеются, что сообщества керамистов и художников узнают об этой работе и применят ее в дизайне керамики и скульптур, а также в других целях, о которых исследователи еще даже не думали.

Исследователи выражают признательность за поддержку и финансирование со стороны Национального фонда естественных наук Китая.