El antiguo arte del origami es bien conocido por transformar hojas de papel y otros materiales plegables en formas 3D complejas. Pero ahora, los ingenieros químicos han extendido la práctica centenaria para producir formas complejas hechas de vidrio u otros materiales duros. Su método completamente moderno, que se puede combinar con la impresión 3D, podría tener aplicaciones que van desde la escultura hasta la catálisis y más allá.

Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS).

En un trabajo anterior, los investigadores utilizaron origami y la técnica relacionada de kirigami, que combina el corte con el plegado, para dar forma a materiales blandos hechos de polímeros. « Pero queríamos extender estas técnicas al vidrio y la cerámica, que son mucho más difíciles de procesar en formas complejas que los polímeros », dice Tao Xie, Ph.D. investigador principal del proyecto.

Por lo general, el vidrio y la cerámica se moldean o se imprimen en 3D en la estructura final deseada. Pero un molde no puede producir una forma complicada, dice Xie. Y aunque la impresión 3D puede hacerlo, es lenta y un objeto puede ser endeble y necesitar soporte adicional mientras se fabrica. Además, el artículo impreso suele tener una textura en capas que podría no ser la apariencia ideal. El equipo se dispuso a ver si podían superar estas deficiencias.

Yang Xu, una estudiante de posgrado que trabaja en el laboratorio de Xie en la Universidad de Zhejiang, ideó una técnica en la que mezcló nanopartículas de sílice, el ingrediente principal para fabricar vidrio, en un líquido que contiene varios compuestos. El curado de la mezcla con luz ultravioleta produjo un polímero de policaprolactona reticulado con diminutas gotas de sílice suspendidas en él, como pasas en pan de pasas.

A continuación, Xu cortó, dobló, retorció y tiró de láminas de este compuesto de polímero translúcido, que tiene propiedades mecánicas similares al papel, para hacer una grulla, una pluma, un jarrón de encaje y una esfera hecha de cintas entrelazadas, entre otros objetos. Si lo hizo a temperatura ambiente, el material compuesto retuvo bastante bien su nueva forma durante los pasos de producción restantes. Xu descubrió que eso se debe a que el proceso de plegado y estiramiento interrumpe irreversiblemente la interfaz entre algunas de las partículas de sílice y la matriz polimérica. Pero si es fundamental retener por completo la nueva forma durante los pasos posteriores, Xu descubrió que el compuesto debe calentarse a aproximadamente 265 F cuando se pliega y estira. Eso reorganiza permanentemente los enlaces entre las cadenas de polímero, fijando firmemente la nueva forma en su lugar.

Un paso de calentamiento posterior a más de 1100 F elimina el polímero de policaprolactona del objeto y lo vuelve opaco. Después del enfriamiento, un tercer paso de calentamiento, conocido como sinterización, funde las partículas de sílice a temperaturas que superan los 2,300 F para convertir el objeto en vidrio transparente con una textura suave y sin capas. Lograr esa transparencia total resultó ser el mayor desafío del proyecto. Incluir más polímero en la mezcla hizo que los objetos fueran más fáciles de doblar pero redujo su transparencia final, explica Xu, quien presenta el trabajo en la reunión. Finalmente, encontró las concentraciones correctas de polímero y sílice para lograr un compromiso exitoso entre esas prioridades en competencia.

En su último trabajo, Xu está extendiendo el método más allá del vidrio a la cerámica, reemplazando la sílice con sustancias como el dióxido de circonio y el dióxido de titanio. Mientras que el vidrio es frágil e inerte, estos compuestos abren la posibilidad de producir objetos « funcionales », como materiales menos frágiles que el vidrio o que tengan propiedades catalíticas.

El grupo también está experimentando con una combinación de kirigami e impresión 3D para crear formas aún más complejas. « Cuando doblas una hoja de papel, el nivel de complejidad es algo limitado y la impresión 3D es un poco lenta », dice Xie. « Así que queríamos ver si podíamos combinar estas dos técnicas para aprovechar sus atributos atractivos. Eso nos daría la libertad de hacer casi cualquier parte con forma ».

En el campo de los catalizadores, señala Xie, la gente usa la impresión 3D para hacer estructuras de cerámica perforadas con canales microscópicos, que aumentan el área de superficie expuesta de un catalizador. El método de Xu podría permitir diseños más complejos para tales aplicaciones y, como caso de prueba, imprimió una red perforada en 3D hecha del compuesto de polímero de sílice (estructura roja en la imagen adjunta).

Xu señala que su proceso podría automatizarse para la fabricación a gran escala. Ella y Xie esperan que las comunidades artísticas y de cerámica aprendan sobre el trabajo y lo apliquen en el diseño de catalizadores y esculturas, así como otros propósitos en los que los investigadores aún no han pensado.

Los investigadores reconocen el apoyo y la financiación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.