Forskare vid North Carolina State University har utvecklat en teknik som använder ljus för att få tvådimensionella (2-D) plastskivor att kröka sig till tredimensionella (3-D) strukturer, som sfärer, rör eller skålar.

Förskottet bygger på tidigare arbete av samma forskargrupp, som fokuserade på självvikande 3D-strukturer. Nyckelframgången här är att plasten böjs och kröks i stället för att plasten viker sig längs skarpa linjer – till polygonala former som kuber eller pyramider.

Forskarna Michael Dickey, en professor i kemisk och biomolekylär teknik vid NC State, och Jan Genzer, S. Frank och Doris Culberson Distinguished Professor vid samma institution, var tidiga ledare inom området självvikande 3D-strukturer. I deras landmärke från 2011, forskarna beskrev en teknik där en konventionell bläckstråleskrivare används för att skriva ut djärva svarta linjer på ett förspänt plastark. Plastskivan skars sedan till ett önskat mönster och placerades under ett infrarött ljus, som en värmelampa.

De tryckta linjerna absorberade mer energi från det infraröda ljuset än resten av materialet, vilket får plasten att värmas och dra ihop sig – vilket skapar ett gångjärn som vek arken till 3D-former. Genom att variera bredden på de utskrivna linjerna, eller gångjärn, forskarna kunde ändra hur långt – och hur snabbt – varje gångjärn viks. Tekniken är kompatibel med kommersiella trycktekniker, som screentryck, utskrift från rulle till rulle, och bläckstråleutskrift, som är billiga och högeffektiva men till sin natur 2D.

Men nu använder de ett liknande tillvägagångssätt för att uppnå ett helt annat resultat.

"Genom att kontrollera antalet linjer och fördelningen av bläck på ytan av materialet, vi kan producera valfritt antal krökta former, säger Dickey, medförfattare till en artikel om de självböjande plasterna. "Alla former använder samma mängd bläck, det är helt enkelt en fråga om var bläcket appliceras på plasten."

"Vårt arbete var inspirerat av naturen, eftersom naturliga former sällan innehåller skarpa veck, istället väljer krökning, " säger Amber Hubbard, en doktorand vid NC State och medförfattare till uppsatsen. "Och vi fann att för att göra funktionella föremål, vi behövde ofta använda en kombination av böjda och vikta former.

"Andra forskare har utvecklat tekniker för att skapa självböjande material, men de gjorde detta med mjuka material, såsom hydrogeler, " Hubbard tillägger. "Vårt arbete är det första försöket att åstadkomma samma sak med termoplaster – som är starkare och styvare än de mjuka materialen. Det gör dem mer attraktiva att använda för att utföra vissa praktiska åtgärder, som att greppa ett föremål."

"Materialen vi arbetar med håller också sin form, även efter att ljuset har tagits bort, " säger Russell Mailen, en doktorand vid NC State och medförfattare till uppsatsen. "Det är en fördel, eftersom mjuka material bara ändrar form när de utsätts för ett lösningsmedel, och när de väl har tagits bort från lösningsmedlet tappar de sin form."

Forskarna har också utvecklat en beräkningsmodell som kan användas för att förutsäga 3D-formen som kommer att produceras av ett givet utskriftsmönster.

"Ett av våra mål är att finjustera den här modellen, som Mailen utvecklade, "Genzer, medförfattare, stater. "I sista hand, vi skulle vilja kunna mata in en önskad 3D-form i modellen och få den att skapa ett mönster som vi kan skriva ut och producera."

Pappret, "Kontrollerbar krökning från plana polymerark som svar på ljus, " publiceras i tidskriften Royal Society of Chemistry Mjuk materia och valdes ut av tidskriften för att visas på omslaget.