‘Origami’-raatstructuren met oppervlaktepatronen op nanoschaal

30 november 2017

Geïnspireerd door de Japanse papiervouwkunst origami werken onderzoekers van de TU Delft aan de ontwikkeling van een alternatief voor 3D-printen waarmee het mogelijk is eindproducten te maken die over veel meer functionaliteiten beschikken dan in het geval van een standaard 3D-printproces. Deze extra functionaliteiten kunnen bijvoorbeeld worden toegepast in medische implantaten of apparaten met flexibele elektronica. In de publicatie in Science Advancesvan woensdag 29 november beschrijven de wetenschappers hoe zij hun techniek succesvol hebben weten toe te passen op raatstructuren.

Raatstructuren worden gebruikt om ‘metamaterialen’ met ongebruikelijke fysische, mechanische of biologische eigenschappen te ontwerpen en te creëren. Voorbeelden hiervan zijn ultralichte materialen die ultrastijf zijn, vloeistofachtige vaste stoffen en materialen met ultrahoge energieabsorberende eigenschappen (impactbestendigheid). Deze metamaterialen danken hun eigenschappen niet aan de eigenschappen van het basismateriaal zelf maar aan de complexe geometrie van hun raatstructuren. Tot nu toe konden raatstructuren alleen gemaakt worden door middel van 3D-printen, waardoor hun functionaliteit beperkt was. De onderzoeksgroep onder leiding van professor Amir Zadpoor van de TU Delft heeft nu laten zien hoe je origamitechnieken kunt gebruiken om complexe raatstructuren uit platte platen te vouwen.

Oppervlaktepatronen op nanoschaal en meer

Om metamaterialen van geavanceerde toepassingen te voorzien, moet het oppervlak van de raatstructuren wellicht worden uitgerust met speciale functionaliteiten zoals nanopatronen of elektronische apparaten. De alternatieve benadering – beginnen met de platte vorm in plaats van 3D-printen – maakt het mogelijk om deze functionaliteiten toe te voegen, terwijl dit normaal alleen maar mogelijk is met platte vormen. Met geavanceerde technieken voor het aanbrengen van micro- en nanopatronen, zoals nanolithografie met elektronenbundels, is het mogelijk om vrijevormpatronen aan te brengen op oppervlakken. “Dit werkt over het algemeen echter alleen op platte oppervlakken”, vertelt professor Zadpoor. “Bovendien hebben we slechts zeer beperkt toegang tot de interne oppervlakken van 3D-geprinte raatstructuren.”

Vouwen

“Oppervlakken met vrijevormpatronen combineren met raatstructuren leek dus onmogelijk, maar geïnspireerd door de Japanse papiervouwkunst origami hebben we een manier gevonden die dit toch mogelijk maakt. We hebben de ongebruikelijke benadering voorgesteld om raatstructuren van oorspronkelijk platte vormen te ‘vouwen’, waardoor we toegang krijgen tot het hele oppervlak van wat uiteindelijk de raatstructuur wordt. Met de technieken die we op dit moment tot onze beschikking hebben, kunnen we vervolgens patronen op het oppervlak aanbrengen. We hebben de raatstructuren ingedeeld in drie basiscategorieën en voor elk daarvan een vouwstrategie voorgesteld. We hebben het platte materiaal ook voorzien van zelfvouwende mechanismen, zodat dit zich kan vouwen tot de uiteindelijke raatstructuur”, aldus Zadpoor. Het zelfvouwende mechanisme wordt geactiveerd (bijvoorbeeld door een verandering in temperatuur), zodat het platte vlak zich kan vouwen en er complexe 3D-structuren ontstaan. De raatstructuren kunnen willekeurig complexe oppervlaktepatronen op verschillende schaal hebben. “Wij laten zien hoe je vrijevorm-3D-patronen kunt toepassen op de oppervlakte van platte vlakken met een resolutie van enkele nanometers.”

Toepassingen

Er zijn verschillende gebieden waar de voorgestelde benadering kan worden gebruikt om metamaterialen met geavanceerde functionaliteiten te creëren. Eén specifiek gebied is de ontwikkeling van (meta)biomaterialen die weefselregeneratie stimuleren. Een ander voorbeeld van een potentieel toepassingsgebied is de integratie van flexibele elektronica, zoals sensoren en actuatoren, in het ontwerp van metamaterialen.

Website TU Delft

Comments are closed.