Origami mit Photopolymeren

  • 28. April 2017

Dünne Plastikschichten falten sich von selbst zu komplexen Gebilden.

Techniken des Origami, der japanischen Kunst des Papier­faltens, finden neuer­dings in der Physik und in den Material­wissen­schaften Anwen­dung. Jetzt haben Forscher dünne Schichten aus Photo­poly­meren her­ge­stellt, die sich selbst­ständig in die gewünschte Form falten. Jerry Qi und seine Kollegen vom Georgia Tech in Atlanta in den USA haben mit Kollegen der Univer­sität Peking in China das erprobte Ver­fahren der fron­talen Photo­poly­meri­sation FPP weiter­ent­wickelt und für das Origami nutz­bar gemacht. Bei der FPP belichtet man ein flüs­siges, licht­empfind­liches Harz oder Resin durch eine Maske mit UV-Strahlung. In den von der Strah­lung getrof­fenen Partien poly­meri­siert das Harz und ver­härtet. Die dabei ent­stehende Schicht ist umso dicker je länger und inten­siver das Resin belichtet wird.

Origami

Abb.: Durch einseitige Belichtung wurden Netz­struk­turen aus einer Poly­mer­schicht her­ge­stellt, die sich von selbst wie beim Origami zu einem Poly­eder auf­falteten. (Bild: Z. Zhao et al. / AAAS)

Da sich die Monomere im Resin bei der Belichtung kovalent zu Poly­meren ver­binden, ver­ringert sich das Volumen des Mate­rials beim Ver­härten. Dadurch ent­stehen Span­nungen in der Poly­mer­schicht, die dazu führen, dass sich die Schicht je nach Dicke mehr oder weniger stark krümmt. Indem Qi und seine Mit­arbeiter eine geeignet struk­tu­rierte Schicht her­stellten, konnten sie diese dazu veran­lassen, sich zu einer gewünsch­ten Struktur zu falten.

Dabei gingen sie folgendermaßen vor. Sie bestrahlten das flüs­sige Resin, das sich in einer gläsernen Petri­schale befand, etwa zehn Sekunden lang von unten mit ultra­violettem und sicht­barem Licht im Wellen­längen­bereich von zwei­hundert bis tausend Nano­metern mit einer Inten­sität von einigen mW/cm2. Der Boden der Schale war mit Poly­di­methyl­siloxan PDMS beschich­tet, damit sich die durch Photo­poly­meri­sation ent­stan­dene Schicht später besser ab­lösen ließ.

Zu Beginn konnte sich die Polymerschicht, die sich auf der PDMS-Beschich­tung ab­lagerte, noch problem­los zusam­men­ziehen, sodass in ihr keine Zug­span­nung auf­trat. Doch im hinzu­kom­menden Mate­rial, das auf dieser ersten Poly­mer­lage haftete und beim Aus­härten schrumpfte, trat eine Span­nung auf. Wurde die gesamte Poly­mer­schicht von der Unter­lage abge­löst, so krümmte sie sich auf­grund der Zug­span­nung. Dabei war die Krüm­mung umso stärker – also der Krüm­mungs­radius umso kleiner – je dünner die Schicht war. Das lag daran, dass dicke Schichten sich der Ver­krüm­mung stärker wider­setzten als dünne.

Mit einer Maske, die verschiedene Graustufen aufwies, stellten die Forscher struk­tu­rierte Poly­mer­schichten mit vari­abler Dicke her. Diese bestan­den aus dicken Flächen­seg­menten, die sich nach dem Ab­lösen nicht krümmten, zwischen denen sich Streifen von geringer Dicke be­fanden, die sich stark krümmten, sodass sich die Poly­mer­schicht an ihnen faltete. Auf diese Weise ent­standen ver­schiedene Origami-Objekte in Form von Tisch­chen mit ge­krümmten Beinen, mehr oder weniger geöff­neten Blüten und Poly­eder.

Die Möglichkeiten dieser Art von Origami waren aller­dings noch einge­schränkt, da die Faltung zunächst nur in einer Rich­tung – weg von der Unter­lage – möglich war. Doch die Forscher fanden einen Aus­weg. Dazu schlossen sie das flüs­sige Resin zwischen zwei mit PDMS beschich­teten, paral­lelen Glas­platten ein, die einen Abstand von 0,5 mm hatten. Dann belich­teten sie die Flüs­sig­keit erst von der Unter­seite und anschlie­ßend von der Ober­seite, und zwar durch zwei ver­schieden struk­tu­rierte Masken.

Nachdem die dabei entstandene Polymerschicht isoliert worden war, krümmte sie sich an den dünnen streifen­förmigen Bereichen und faltete sich auf­wärts oder ab­wärts, je nach­dem von welcher Seite sie belich­tet worden war. So ent­standen unter anderem eine tradi­tio­nelle Kranich­figur sowie die auf- und ab­wärts gekrümmte Miura-Struktur. Die zunächst noch recht fragilen Gebilde konnten robuster gemacht werden, indem sie noch einmal ins Resin­bad getaucht und belichtet wurden, sodass sich eine weitere Poly­mer­schicht auf ihnen abla­gerte. Mit dem neuen Ver­fahren lassen sich recht kompli­zierte drei­dimen­sio­nale Origami-Struk­turen fertigen. Es eröffnet neue Mög­lich­keiten zur Her­stellung von Meta­materi­alien und elek­tro­nischen Bau­elementen.

Rainer Scharf

RK

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