Vật liệu tự gấp khi bị kéo căng  


Văn Tâm
TANIXA – nano-bio technology

Lấy cảm hứng từ nghệ thuật gấp giấy origami truyền thống của Nhật Bản, các vật liệu tự gấp mà khi bung ra có thể biến thành cấu trúc ba chiều phức tạp có tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực robot, điện tử, vật liệu sinh học...Các nhà nghiên cứu từ Đại học công nghệ Delft ở Hà Lan đã khám phá ra một giải pháp kích phát bằng cơ học có hiệu quả trên một loạt các loại vật liệu, tạo ra các cấu trúc phức tạp và thích hợp với các cấu trúc vi mô.

Chúng tôi hướng đến việc phát triển một kỹ thuật cho phép lập trình các hình dạng phức tạp của nhiều loại vật liệu khác nhau ở các kích thước nhỏ tới cỡ μm, ở đó các vật liệu phẳng lúc đầu có thể được gấp thành các vật thể có nhiều tầng lớp thích hợp trong nhiều ứng dụng”, trưởng nhóm nghiên cứu TS. Teunis van Manen phát biểu.

Mấu chốt của hướng tiếp cận mới này là sự kết hợp của một lớp chất đàn hồi và một lớp biến dạng không đổi. Các lớp này có thể được làm từ các loại vật liệu khác nhau bao gồm polymer và kim loại. Một ví dụ điển hình là lớp chất đàn hồi làm bằng polydimethylsiloxane (PDMS) và lớp bị biến dạng là màng mỏng titanium hay polymer polyolefin. Khi loại vật liệu này bị kéo dãn ra ở hai lớp, lớp đàn hồi sẽ cố gắng quay lại hình dạng đầu của nó trong khi lớp bị biến dạng thì không. Sự tương tác giữa hai loại vật liệu thúc đẩy các lớp phẳng cuộn lại thành các cấu trúc ba chiều với góc gập (folding angles được mô tả  trên hình 2a - kí hiệu Phi φ)  ) lên tới 100°. 

 “Một trong những ưu điểm chính của phương pháp tự gập lại này so với hướng sản xuất trực tiếp các cấu trúc ba chiều rỗng như in 3D là vật liệu trước khi gập sẽ có khả năng tích hợp lên trên bề măt của nó các cấu trúc tính năng khác như mạch điện tử, đèn Led, dây dẫn.” TS. van Manen phát biểu.

C:\Users\nguyen van tam\Downloads\VJS\1-s2.0-S1369702119307394-ga1_lrg.jpg

Hình 1: Hình ảnh minh họa cách thức tự gấp (self-folding) và cấu trúc hình lập phương tương ứng 

Hình 2: (a) Sơ đồ cấu trúc lưỡng lớp (bilayer) với lớp bị biến dạng (titanium hoặc polyolefin) với một lớp đàn hồi (PDMS) (hình bên trái). Vệc kéo căng các lưỡng lớp cho ta các phần tử tự gấp (hình bên phải). (b) Lắp ráp các chi tiết đã tạo hình bằng tia laze (laser cutting) với khuôn PDMS lưỡng lớp để tạo nên các linh kiện

So với các kỹ thuật tự gấp khác đòi hỏi nhiều bước gấp, vật liệu chế tạo chuyên biệt, kích thước lớn, thì nghiên cứu của các nhà khoa học ở Đại học Delft mà ở đó ta có thể tạo ra các vật liệu tự gấp có cấu trúc phức tạp, kích thước nhỏ cỡ μm, vật liệu chế tạo đa dạng, cần ít bước tự gấp có thể coi là một phát minh mới mở ra nhiều triển vọng để ứng dụng trong các ngành phát triển mạnh của tương lai như robot siêu nhỏ, vật liệu sinh học, hàng không vũ trụ…    

Tài liệu tham khảo:
https://www.materialstoday.com/mechanical-properties/news/selffolding-materials-popup-at-a-stretch
Bài báo:
Teunis van Manen, Shahram Janbaz, Mahya Ganjian, Amir A. Zadpoor. Kirigami-enabled self-folding origami. Materials Today 1369-7021 (2019). https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.08.001

Category: