Metamaterialen en origamische metaal-organische raamwerken

Origami is een papiervouwproces dat gewoonlijk met kinderspel wordt geassocieerd, meestal om een ​​in papier gevouwen kraanvogel te vormen, maar sinds kort is het dat ook een fascinerend onderzoeksonderwerp. Op origami geïnspireerde materialen kunnen mechanische eigenschappen bereiken die moeilijk te bereiken zijn in conventionele materialen, en materiaalwetenschappers onderzoeken nog steeds dergelijke constructies op basis van origami-mozaïekpatroon op moleculair niveau.

Nu in een nieuw rapport gepubliceerd in NatuurcommunicatieEunji Jin en een onderzoeksteam op het gebied van chemie en deeltjesversnelling aan het Ulsan National Institute of Science and Technology, Republiek Korea, beschreven de ontwikkeling van een tweedimensionaal porfyrine-metaal-organisch raamwerk, zelf-geassembleerd uit zinkknopen en op porfyrine-linkers gebaseerde over origami-mozaïekpatroon.

Het team combineerde theorie en experimentele resultaten om origami-mechanismen aan te tonen die ten grondslag liggen aan het 2D porfyrinische metaal-organische raamwerk met de flexibele linker als draaipunt. De 2D-mozaïekpatroon verborgen in het 2D metaal-organische raamwerk onthulde origami-moleculen op moleculair niveau.

De wiskunde en de wetenschap van het papiervouwen

De kunst van het vouwen van papier, ook wel bekend als origami, strekt zich nu verder uit dan deze niche en strekt zich uit tot wetenschap, techniek, architectuur en andere industrieën. De lijst met origami-toepassingen wordt steeds groter, zoals blijkt uit zonnecellen, elektronica en biomedische apparaten. De lengteschalen die voor origami worden gebruikt, zijn ook geëvolueerd van de meter naar de nanoschaal, met nauwe relaties met origami-mozaïekpatronen zoals Miura-ori, dubbel gegolfde oppervlakken, Yoshimura En vierkante patronen om er een paar te noemen. Elke origami-mozaïekpatroon bevat vergelijkbare of herhalende patronen, hoewel mozaïekpatroon zeer inzetbare blauwdrukken zijn om mechanische metamaterialen te construeren met een negatieve Poisson-ratio; een exotische mechanische eigenschap.

Ondanks de opkomst van een verscheidenheid aan op origami geïnspireerde materialen, blijft het bouwen van moleculaire materialen op basis van origami-mozaïekpatronen een uitdaging. Materiaalwetenschappers hebben laten zien hoe het mogelijk is om op origami geïnspireerde materialen te ontwikkelen met behulp van metaal-organische raamwerken die als een ideaal platform dienen met unieke eigenschappen die vrijwel onbeperkt en voortreffelijk aanpasbaar zijn. Onderzoekers onderzoeken geometrieën waarbij sprake is van mozaïekpatroon om de verborgen dynamiek ervan bloot te leggen metalen organische raamwerken.

In dit nieuwe werk beschreven Jin en collega’s metaal-organische raamwerken gebaseerd op dubbele golfoppervlakken van origami-mozaïekpatroon die ze assembleerden uit een flexibel materiaal. porfyrine linker en een zinken schoepenrad secundaire bouweenheid. De thermische beweging die in de metaal-organische raamwerken werd onthuld, was afhankelijk van origami-mechanica om ongebruikelijk vouwgedrag te vertonen. Dergelijke metaal-organische raamwerken, gebaseerd op origami-mozaïekpatroon, kunnen binnenkort worden opgenomen als een actieve opkomende klasse van mechanische metamaterialen.

Onthulling van kristalstructuren

Het onderzoeksteam ontwikkelde de PPF 301-kristallen met een zinkporfyrinecomponent via een solvothermische reactie. Deze kristallen vertoonden een lichtpaarse kleur en vertoonden een rechthoekige plaatvorm. Tijdens de experimenten onderging de porfyrinekern metallatie om een ​​zinkion met vijf coördinaten te ontwikkelen. De zelf-geassembleerde 2D-laag van PPF-301 vertoonde een gegolfde structuur met flexibel aryloxygroepenwaar de 2D vierkante structuren werden opgebouwd uit a tetratopische porfyrinische linker. Het team bekeek de synchrotronpoeder röntgendiffractiepatroon van het “zoals gesynthetiseerde” PPF301-kristalmonster op origami-basis, dat goed overeenkwam met het gesimuleerde patroon. Omdat de oppervlakken met dubbele golf zeer inzetbaar waren, vertoonde de PPF301-constructie origamibewegingen gebaseerd op flexibele knooppunten.

De thermische respons en origami-mozaïekpatroon van het PPF301-kristal

Jin en team testten een mogelijke structurele verandering in de PPF301-kristallen door temperatuurafhankelijk te presteren synchrotron röntgendiffractie met één kristal in een acceleratielaboratorium. Tijdens de experimenten maakten ze een kristal in een afgesloten capillair waaraan een kleine hoeveelheid oplosmiddel werd toegevoegd om verlies aan kristalliniteit te voorkomen. De uitzetting van de kristaltussenlagen droeg bij aan een groter celvolume, en hoewel veranderingen in de afstand tussen de lagen aanwezig waren in 2D metaal-organische raamwerken, was de thermische uitzettingscoëfficiënt van het materiaal aanzienlijk hoger dan die van de vele 2D metaal-organische raamwerken.

Bovendien weken de dubbele golfoppervlakken van het materiaal af en vergeleek het team het experiment en het mechanische model op basis van origami-mozaïekpatroon. Vervolgens hebben ze de oorsprong van origami-beweging in het metamateriaal vastgesteld op de tweevlakshoek en bindingshoeken van de aryloxygroep, die hebben bijgedragen aan het 2D-origami-raamwerk van PPF-301.

Mechanische eigenschappen van het origami-metamateriaal

Het onderzoeksteam onderzocht de mechanische eigenschappen van PPF-301 op basis van origamibewegingen en voerde deze uit kwantummechanische berekeningen om een ​​geoptimaliseerde structuur te construeren, en vervolgens berekend de totale elektronische energieën van de constructie. Met behulp van maximale en minimale waarden van elastische beperkingen verifieerden ze de richtingsbijdrage van het materiaal. Toen het team mechanische spanning uitoefende, ging de beweging gepaard met veranderingen in de tweevlakshoeken en bindingshoeken in de aryloxygroep.

Eerder hadden materiaalwetenschappers verschillende flexibele metaal-organische raamwerken onderzocht die dat wel hebben abnormale eigenschappen, inclusief negatieve lineaire samendrukbaarheid en negatieve Poisson-ratio. Het is echter moeilijk om flexibele metaal-organische raamwerken in 2D te genereren, hoewel de kenmerken en eigenschappen van het in dit onderzoek ontwikkelde materiaal geschikt waren voor het gedrag ervan in de vorm van een origami-metamateriaal.

Vooruitzichten

Op deze manier ontdekten Eunji Jin en zijn team dynamische kristallen die het algemene idee van vaste stoffen volledig veranderden niet-dynamische concrete entiteiten. De flexibele metaal-organische raamwerken vertoonden een opmerkelijke transformatie op basis van overvloedige moleculaire bouwstenen, organische linkers en metaalknopen. De wetenschappers voerden lokale bewegingen van deze bouwstenen uit, waaronder buig-, draai- en rotatiegedrag via topologie.

Ze onthulden verborgen dynamisch gedrag van metaal-organische raamwerken flexibele geometrieën. Het onderzoeksteam handhaafde het inherent verfrommelde patroon van de 2D-laag om een ​​aparte categorie van metaal-organische raamwerk-metamaterialen te openen met mechanische eigenschappen. Door de afstand tussen de metalen knooppunten te reguleren op basis van externe stimuli, ontwikkelden ze geavanceerde moleculaire kwantumcomputerprocessen die geschikt zijn voor toekomstige toepassingen van origami-metaalorganische raamwerken.