Metamaterialer og origamiske metal-organiske rammer

Origami er en papirfoldningsproces, der normalt forbindes med børns leg, mest for at danne en papirfoldet kran, men det er for nylig et fascinerende forskningsemne. Origami-inspirerede materialer kan opnå mekaniske egenskaber, som er svære at opnå i konventionelle materialer, og materialeforskere udforsker stadig sådanne konstruktioner baseret på origami-tesselation på molekylært niveau.

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Nature Communications , Eunji Jin og et forskerhold i kemi og partikelacceleration ved Ulsan National Institute of Science and Technology, Republikken Korea, beskrev udviklingen af ​​en todimensional porfyrinisk metal-organisk ramme, selvsamlet fra zinkknuder og porphyrin-linkere baseret. om origami-tesselation.

Holdet kombinerede teori og eksperimentelle resultater for at demonstrere origami-mekanismer, der ligger til grund for den 2D porfyrine metal-organiske ramme med den fleksible linker som et omdrejningspunkt. 2D-tesselationen skjult inden for den 2D metal-organiske ramme afslørede origami-molekyler på molekylært niveau.

Matematikken og videnskaben om papirfoldning

Kunsten at folde papir, også kendt som origami, strækker sig nu ud over denne niche til videnskab, teknik, arkitektur og andre industrier. Listen over origami-applikationer udvides, som eksemplificeret med solceller, elektronik og biomedicinsk udstyr. Længdeskalaerne, der bruges til origami, har også udviklet sig fra meter til nanoskala, med tætte relationer til origami-tesselationer som Miura-ori, dobbeltkorrugerede overflader, Yoshimura og firkantede mønstre for at nævne nogle få. Hver origami tessellation indeholder lignende eller gentagne mønstre, selvom tessellations er meget anvendelige tegninger til at konstruere mekaniske metamaterialer med et negativt Poisson's ratio; en eksotisk mekanisk egenskab.

På trods af fremkomsten af ​​en række origami-inspirerede materialer, er det stadig en udfordring at bygge molekylære materialer baseret på origami-tesselationer. Materialeforskere har vist, hvordan det er muligt at udvikle origami-inspirerede materialer ved hjælp af metal-organiske rammer, der fungerer som en ideel platform med unikke funktioner, der er praktisk talt ubegrænsede og udsøgt tilpasselige. Forskere udforsker geometrier, der involverer tessellation for at afdække den skjulte dynamik i metalorganiske rammer.

I dette nye arbejde beskrev Jin og kolleger metal-organiske rammer baseret på dobbelte korrugerede overflader af origami tessellation, som de samlede fra en fleksibel porphyrin-linker og en sekundær bygningsenhed af zink-skovlhjul. Den termiske bevægelse afsløret i de metalorganiske rammer afhang af origami-mekanik for at vise usædvanlig foldeadfærd. Sådanne metal-organiske rammer baseret på origami-tesselation kan snart blive inkorporeret som en aktiv voksende klasse af mekaniske metamaterialer.

Afsløring af krystalstrukturer

Forskerholdet udviklede PPF 301-krystallerne med en zinkporphyrin-komponent gennem en solvotermisk reaktion. Disse krystaller viste en bleg lilla farve og udviste en rektangulær pladeform. Under eksperimenterne gennemgik porphyrinkernen metallering for at udvikle en fem-koordineret zinkion. Det selvsamlede 2D-lag af PPF-301 viste en korrugeret struktur med fleksible aryloxygrupper, hvor de 2D kvadratiske strukturer var bygget af en tetratopisk porfyrinisk linker. Holdet så synkrotronpulver-røntgendiffraktionsmønsteret af den "som syntetiserede" PPF301 origami-baserede krystalprøve, som matchede godt med det simulerede mønster. Da de dobbelte korrugerede overflader var meget udfoldelige, viste PPF301-konstruktionen origami-bevægelse baseret på fleksible knudepunkter.

Den termiske respons og origami-tesselation af PPF301-krystallen

Jin og team testede en mulig strukturel ændring i PPF301-krystallerne ved at udføre temperaturafhængig synkrotron-enkeltkrystal-røntgendiffraktion i et acceleratorlaboratorium. Under eksperimenterne fremstillede de en krystal i en forseglet kapillar med en lille mængde opløsningsmiddel tilsat for at forhindre tab af krystallinitet. Ekspansionen af ​​krystalmellemlagene bidrog til et øget cellevolumen, og mens ændringer i mellemlagsafstanden var til stede i 2D metalorganiske rammer, var materialets termiske udvidelseskoefficient væsentligt højere end for de mange 2D metalorganiske rammer.

Ydermere afveg de dobbelte korrugerede overflader af materialet, og holdet sammenlignede eksperimentet og den mekaniske model baseret på origami-tesselation. De udpegede derefter oprindelsen af ​​origami-bevægelse i metamaterialet til den dihedriske vinkel og bindingsvinklerne for aryloxygruppen, hvilket bidrog til 2D-origami-strukturen i PPF-301.

Mekaniske egenskaber af origami-metamaterialet

Forskerholdet undersøgte de mekaniske egenskaber af PPF-301 baseret på origamibevægelser og udførte kvantemekaniske beregninger for at konstruere en optimeret struktur og beregnede derefter konstruktionens samlede elektroniske energier. Ved at bruge maksimale og minimale værdier af elastiske begrænsninger verificerede de materialets retningsmæssige bidrag. Når holdet påførte mekanisk belastning, ledsagede bevægelsen ændringer i dihedrale vinkler og bindingsvinkler i aryloxygruppen.

Tidligere havde materialeforskere undersøgt flere fleksible metal-organiske rammer, der har unormale egenskaber, herunder negativ lineær kompressibilitet og negativ Poissons forhold. Det er imidlertid vanskeligt at generere 2D fleksible metal-organiske rammer, selvom egenskaberne og egenskaberne af materialet udviklet i denne undersøgelse var velegnet til dets adfærd i form af et origami-metamateriale.

Outlook

På denne måde opdagede Eunji Jin og teamet dynamiske krystaller, der fuldstændig ændrede den generelle idé om faste stoffer som ikke-dynamiske konkrete entiteter. De fleksible metal-organiske rammer viste bemærkelsesværdig transformation baseret på rigelige molekylære byggesten, organiske linkere og metalknuder. Forskerne opnåede lokale bevægelser af disse byggesten, herunder bøjning, drejning og roterende adfærd gennem topologi.

De afslørede skjult dynamisk adfærd af metalorganiske rammer med fleksible geometrier. Forskerholdet fastholdt det iboende krøllede mønster af 2D-laget for at åbne en særskilt kategori af metalorganiske rammemetamaterialer med mekaniske egenskaber. Ved at regulere afstanden mellem metalknuderne ved ydre stimuli udviklede de avancerede molekylære kvanteberegningsprocesser, der er velegnede til fremtidige anvendelser af origami metal organiske rammer.

Flere oplysninger: Eunji Jin et al., Origamic metal-organic framework mod mekanisk metamateriale, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8

Journaloplysninger: Nature Communications

© 2023 Science X Network