Nieuws

11
Dec

‘Origami’-raatstructuren met oppervlaktepatronen op nanoschaal

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 Advances van woensdag 29 november beschrijven de wetenschappers hoe zij hun techniek succesvol hebben weten toe te passen op raatstructuren.

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 prof. Amir Zadpoor van de TU Delft heeft nu als eerste 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 prof. 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.

Origami lattices

Meer informatie

Video: Origami Lattices
De paper ‘Origami lattices with free-form surface ornaments’ in Science Advances, 29 november 2017.

Contact

Prof. dr. Amir Zadpoor (TU Delft), A.A.Zadpoor@tudelft.nl, +31 (0)15 2781021 of +31 (0)6 43447445
Claire Hallewas (persvoorlichter TU Delft), C.R.Hallewas@tudelft.nl, +31 (0)6 40953085

Bron: TU Delft TNW Today

Leave a Reply

11
Dec

‘Origami’ lattices with nano-scale surface ornaments

Inspired by the Japanese art of paper folding (origami), researchers at TU Delft are developing an alternative to 3D printing that allows the final products to have many more functionalities than what is possible with 3D printing. Those additional functionalities could, for instance, be used in medical implants or devices incorporating flexible electronics. In their publication in Science Advances on Wednesday November 29th, the scientists have successfully applied their technique to lattice structures.

Lattice structures

Lattice structures are used in the design of so called ‘metamaterials’, to achieve unusual physical, mechanical, or biological properties. Examples are ultra-light yet ultra-stiff materials, fluid-like solids, and materials with ultrahigh energy absorption (impact resistance) properties. These metamaterials derive their properties not from the properties of the base materials, but from the complex geometry of their lattice structures. So far, lattice structures could be only made with 3D printing processes, which limited their functionalities. The research group led by prof. Amir Zadpoor at TU Delft has shown for the first time how to use origami techniques to fold complex lattice structures from flat sheets.

Nano-scale surface ornaments and more

To incorporate advanced functionalities into metamaterials, the surface of the lattice structures may need to be ornamented with special features such as surface nano-patterns or electronic devices. The alternative approach of starting from a flat shape (instead of 3D printing) allows for incorporation of those functionalities that generally could only be applied to flat shapes. Advanced micro- and nano-patterning techniques such as electron beam nanolithography allow for free-form patterning of surfaces. “However, they generally work only on flat surfaces”, says prof. Zadpoor. “Moreover, our access to the internal surface areas of 3D-printed lattice structures is very limited.”

Folding

“Combining free-form surface ornaments with lattice forms seemed therefore impossible. But, inspired by the Japanese art of paper folding (origami), we have found a way that does allow for that combination. We have proposed the unusual approach of ‘folding’ lattice structures from initially flat states. That approach provides us with full access to the entire surface of what will eventually become our lattice structure. We could then use the currently available techniques to ornament the surface. We have categorized lattices into three basic categories and, for each of those, have proposed a folding strategy. Self-folding mechanisms have been also incorporated into the flat material to allow for self-folding into the final lattice shape”, says Zadpoor. The folding mechanism is activated (for instance by a change in temperature) to enable folding of the flat sheet and the formation of complex 3D structures. The lattice structures could bear arbitrarily complex surface ornaments at different scales. “We show how free-form 3D ornaments could be applied on the surface of flat sheets with a resolution of a few nanometers.”

Applications

There are several areas where the proposed approach could be used for creating metamaterials with advanced functionalities. One specific area is the development of (meta-)biomaterials that stimulate tissue regeneration. Another example of the potential areas of application is integration of flexible electronics (for example, sensors and actuators) in the design of metamaterials.

Origami lattices

More information

Video: Origami Lattices
The paper ‘Origami lattices with free-form surface ornaments’ in Science Advances, 29 November 2017

Contact

Prof. dr. Amir Zadpoor (TU Delft), A.A.Zadpoor@tudelft.nl, +31 15 2781021 of +31 6 43447445
Claire Hallewas (media relations officer TU Delft), C.R.Hallewas@tudelft.nl, +31 6 40953085.

Source: TU Delft TNW Today

Leave a Reply