Origami är en pappersvikningsprocess som vanligtvis förknippas med barns lek, mest för att bilda en pappersvikt kran, men det är som nyligen ett fascinerande forskningsämne. Origami-inspirerade material kan uppnå mekaniska egenskaper som är svåra att uppnå i konventionella material, och materialforskare undersöker fortfarande sådana konstruktioner baserade på origami-tesselation på molekylär nivå.
I en ny rapport som nu publiceras i Nature Communications , Eunji Jin och ett forskarlag inom kemi och partikelacceleration vid Ulsan National Institute of Science and Technology, Republiken Korea, beskrev utvecklingen av ett tvådimensionellt porfyriniskt metall-organiskt ramverk, självmonterat från zinknoder och porfyrinlänkar baserade om origami tessellering.
Teamet kombinerade teori och experimentella resultat för att demonstrera origamimekanismer som ligger till grund för det 2D porfyriniska metallorganiska ramverket med den flexibla länken som en svängpunkt. 2D-tesselationen gömd inom det 2D-metallorganiska ramverket avslöjade origamimolekyler på molekylär nivå.
Konsten att vika papper, även känd som origami, sträcker sig nu bortom denna nisch till vetenskap, teknik, arkitektur och andra industrier. Listan över origamiapplikationer breddas, vilket exemplifieras med solceller, elektronik och biomedicinsk utrustning. Längdskalorna som används för origami har också utvecklats från meter till nanoskala, med nära relationer till origami tessellationer som Miura-ori, dubbelkorrugerade ytor, Yoshimura och kvadratiska mönster för att nämna några. Varje origami-tesselation innehåller liknande eller upprepande mönster, även om tessellationer är mycket utplacerbara ritningar för att konstruera mekaniska metamaterial med ett negativt Poisson-förhållande; en exotisk mekanisk egenskap.
Trots tillkomsten av en mängd olika origami-inspirerade material är det fortfarande en utmaning att bygga molekylära material baserade på origami-tesselationer. Materialforskare har visat hur det är möjligt att utveckla origami-inspirerade material med hjälp av metallorganiska ramverk som fungerar som en idealisk plattform med unika egenskaper som är praktiskt taget obegränsade och utsökt anpassningsbara. Forskare utforskar geometrier som involverar tessellation för att avslöja den dolda dynamiken hos metalliska organiska ramverk.
I detta nya arbete beskrev Jin och kollegor metallorganiska ramverk baserade på dubbla korrugerade ytor av origami-tesselation som de satte ihop från en flexibel porfyrinlänk och en sekundär byggenhet för zinkskovelhjul. Den termiska rörelsen som avslöjades i de metallorganiska ramverken var beroende av origamimekanik för att visa ovanliga vikningsbeteenden. Sådana metallorganiska ramverk baserade på origami-tesselation kan snart införlivas som en aktiv framväxande klass av mekaniska metamaterial.
Att avslöja kristallstrukturer
Forskargruppen utvecklade PPF 301-kristallerna med en zinkporfyrinkomponent genom en solvotermisk reaktion. Dessa kristaller visade en ljuslila färg och uppvisade en rektangulär platta form. Under experimenten genomgick porfyrinkärnan metallisering för att utveckla en femkoordinat zinkjon. Det självmonterade 2D-lagret av PPF-301 visade en korrugerad struktur med flexibla aryloxigrupper, där 2D-kvadratstrukturerna byggdes från en tetratopisk porfyrinlänk. Teamet såg synkrotronpulverröntgendiffraktionsmönstret för det "som syntetiserade" PPF301 origami-baserade kristallprovet, som matchade väl med det simulerade mönstret. Eftersom de dubbla korrugeringsytorna var mycket utplacerbara visade PPF301-konstruktionen origamirörelse baserat på flexibla nodalpunkter.
Jin och team testade en möjlig strukturell förändring i PPF301-kristallerna genom att utföra temperaturberoende synkrotron-enkristallröntgendiffraktion i ett acceleratorlabb. Under experimenten beredde de en kristall i en förseglad kapillär med en liten mängd lösningsmedel tillsatt för att förhindra förlust av kristallinitet. Expansionen av kristallmellanskikten bidrog till en ökad cellvolym, och medan förändringar i mellanskiktsavståndet fanns i 2D metallorganiska ramverk, var materialets värmeutvidgningskoefficient betydligt högre än för de många 2D metallorganiska ramverken.
Dessutom avvek de dubbla korrugeringsytorna på materialet och teamet jämförde experimentet och den mekaniska modellen baserad på origami-tesselation. De pekade sedan ut ursprunget till origamirörelse i metamaterialet till den dihedriska vinkeln och bindningsvinklarna för aryloxigruppen, vilket bidrog till 2D-origamiramverket för PPF-301.
Mekaniska egenskaper hos origami-metamaterialet
Forskargruppen undersökte de mekaniska egenskaperna hos PPF-301 baserat på origamirörelser och utförde kvantmekaniska beräkningar för att konstruera en optimerad struktur, och beräknade sedan konstruktionens totala elektroniska energi. Med hjälp av maximala och minimala värden för elastiska begränsningar, verifierade de materialets riktningsbidrag. När teamet applicerade mekanisk påfrestning åtföljde rörelsen förändringar i dihedriska vinklar och bindningsvinklar i aryloxigruppen.
Tidigare har materialforskare undersökt flera flexibla metallorganiska ramverk som har onormala egenskaper, inklusive negativ linjär kompressibilitet och negativ Poissons förhållande. Det är dock svårt att generera 2D-flexibla metallorganiska ramverk, även om egenskaperna och egenskaperna hos materialet som utvecklades i denna studie var lämpade för dess beteende i form av ett origami-metamaterial.
På detta sätt upptäckte Eunji Jin och teamet dynamiska kristaller som helt förändrade den allmänna idén om fasta ämnen som icke-dynamiska konkreta enheter. De flexibla metallorganiska ramverken visade anmärkningsvärd transformation baserad på rikliga molekylära byggstenar, organiska länkar och metallnoder. Forskarna åstadkom lokala rörelser av dessa byggstenar inklusive böjning, vridning och roterande beteenden genom topologi.
De avslöjade dolda dynamiska beteenden hos metallorganiska ramverk med flexibla geometrier. Forskargruppen bibehöll det inneboende skrynkliga mönstret av 2D-lagret för att öppna en distinkt kategori av metallorganiska ramverksmetamaterial med mekaniska egenskaper. Genom att reglera avståndet mellan metallnoderna vid yttre stimuli utvecklade de avancerade molekylära kvantberäkningsprocesser lämpade för framtida tillämpningar av organiska ramverk av origamimetall.
Mer information: Eunji Jin et al, Origamic metal-organic framework to mechanical metamaterial, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8
Journalinformation: Nature Communications
© 2023 Science X Network
