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发布日期:2012-12-26 浏览次数:2018

  美国卡罗拉多大学博尔德分校机械工程师最近开发出一种用特定波长的光来折叠物体的技术,这种“光折纸术”有望带来一种全新的三维结构制造技术。相关论文发表在最近出版的《应用物理快报》上。
实验中,研究人员用一种含有光敏剂的平面二维聚合物演示了这种光折叠物体的新技术。首先,将聚合物拉伸产生机械张力,然后用光照射它的某个区域,比如折线的地方,这会让光敏剂分解为自由基,自由基具有高度活性,会使聚合物分子链断裂重组,以缓解该区域张力。材料自身为了实现机械均衡,重新分布张力导致形变,使材料沿着照射线折叠起来。“这是一种非接触式方法,通过三维编程和计算机模拟操纵,能让聚合物薄膜精确地弯曲及折叠。”领导该研究的机械工程教授马丁•邓恩解释说。
整个过程是一次折叠,每增加一次折叠要重复照射、变形的步骤,这些步骤按特定的顺序进行,就能造出复杂的形状。
这种“光折纸术”只靠光和机械张力来折叠材料,有望成为一种更简单的、自动连续的折叠工艺。研究人员介绍说,目前能按照编程程序折叠材料的方法有很多,但大部分方法都要在材料上附加一些操作装置,从外部施加操作压力。这种让材料自行折叠而不需要附加因素的新技术可大大简化工艺,获得更广泛的应用。“理论上讲,该技术能以任意方向,按任意顺序制造出由各种弯曲和折叠构成的复杂结构。”邓恩说,“我们可以通过计算机模拟来设计大量结构。”
“光折纸术”的应用远远超出了折纸作为一种创造性艺术的最初领域。研究人员说,当一件物品需要存储、运输之后再打开使用,技术性折纸术就非常关键。比如用于太空太阳能电池组、自动安全气囊、组织工程、包装箱,以及最大化捕获光能的光伏电池等。除了宏观领域,还可用于微观和纳米领域,比如折叠分子改变其形状,就能改变分子属性。“我们还打算制造更小更精密的,能大批量生产的结构,赋予它们多重物理功能。”邓恩说。
这是一种自组装技术,被激活的基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发地组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。但与以往不同,光折纸术通过工艺创新实现了非接触式的自组装,不但让古老折纸术成为解决现代工程难题的参考,也让我们思考:可不可以根据光线的不同波长做出不同的反应?能不能实现声波折纸术、电磁折纸术……也许,为我们打开了一扇创新灵感的窗户,也是这项研究的重要意义。