化学エンジニアがガラス彫刻と触媒作用の未来を解き明かす

化学エンジニアは、古代の折り紙技術を革新し、ガラスやその他の硬い素材から複雑な 3D 形状を作成する現代的な方法を開発しました。 3D プリントと統合できるこの技術は、彫刻や触媒作用など、さまざまな分野に応用できる可能性があります。

折り紙の古代芸術は、紙やその他の折り畳み可能な素材を複雑な 3D 形状に変換することでよく知られています。 しかし現在、化学技術者は何世紀にもわたる慣習を拡張して、ガラスやその他の硬い材料で複雑な形状を作り出しています。 3D プリントと組み合わせることができる彼らの完全に現代的な方法は、彫刻から触媒作用、さらにはそれを超えた用途にまで及ぶ可能性があります。

研究者は本日、米国化学会 (ACS) の春季大会で結果を発表します。 ACS Spring 2023 は、3 月 26 ～ 30 日に仮想および対面で開催されるハイブリッド ミーティングで、幅広い科学トピックに関する 10,000 以上のプレゼンテーションが行われます。

以前の研究では、研究者は折り紙と切り紙の関連技術 (切断と折り畳みを組み合わせたもの) を使用して、ポリマーでできた柔らかい材料を成形しました。 「しかし、これらの技術を、ポリマーよりも複雑な形状に加工するのがはるかに難しいガラスやセラミックに拡張したかったのです」と、プロジェクトの主任研究者である Tao Xie 博士は述べています。

通常、ガラスやセラミックは金型で成形するか、3D プリントして目的の最終構造にします。 しかし、金型で複雑な形状を作ることはできない、と Xie は言います。 3D プリントでも可能ですが、速度が遅く、オブジェクトが脆く、作成中に追加のサポートが必要になる場合があります。 さらに、印刷されたアイテムは通常、理想的な外観ではないレイヤード テクスチャを持っています。 チームは、これらの欠点を克服できるかどうかを確認することに着手しました。

浙江大学の Xie の研究室で働く大学院生の Yang Xu は、ガラスを作るための主成分であるシリカのナノ粒子を、いくつかの化合物を含む液体に混合する技術を考案しました。 混合物を紫外線で硬化させると、レーズンパンのレーズンのように、シリカの小さなビーズが懸濁した架橋ポリカプロラクトンポリマーが生成されました.

次に、Xu はこの半透明のポリマー複合材のシートを切り、折り、ねじり、引っ張って、折り鶴、羽、レースの花瓶、絡み合ったリボンでできた球体などを作りました。 彼女がこれを室温で行った場合、複合材料は残りの製造ステップ全体で新しい形状をかなり良好に保持しました. Xu は、これは、折り畳みと引き伸ばしのプロセスによって、一部のシリカ粒子とポリマー マトリックスの間の界面が不可逆的に破壊されるためであることを発見しました。 しかし、後続のステップで新しい形状を完全に保持することが重要な場合、Xu は、複合材を折りたたんで伸ばすときに約 265 F で加熱する必要があることを発見しました。 これにより、ポリマー鎖間のリンクが恒久的に再配置され、新しい形状が所定の位置にしっかりと固定されます。

その後の 1,100 F 以上での加熱ステップにより、物体からポリカプロラクトン ポリマーが除去され、不透明になります。 冷却後、焼結として知られる第 3 の加熱ステップでは、2,300 F を超える温度でシリカ粒子を一緒に溶かして、対象物を滑らかで層のないテクスチャーを持つ透明なガラスに変換します。 完全な透明性を達成することは、プロジェクトの最大の課題であることが判明しました。 より多くのポリマーを混合物に含めると、オブジェクトは折り畳みやすくなりますが、最終的な透明度は低下します、と会議で作品を発表している Xu は説明します。 彼女は最終的に、ポリマーとシリカの適切な濃度が、競合する優先事項の間でうまく妥協できることを発見しました。

彼女の最新の作品では、Xu はこの方法をガラスからセラミックに拡張し、シリカを二酸化ジルコニウムや二酸化チタンなどの物質に置き換えています。 ガラスはもろくて不活性ですが、これらの化合物は、ガラスよりも壊れにくい材料や触媒特性を持つ材料など、「機能的な」物体を製造する可能性を開きます。

グループはまた、切り紙と 3D プリントを組み合わせて、さらに複雑な形状を作成する実験も行っています。 「一枚の紙を折ると、複雑さのレベルはいくらか制限され、3D プリントは少し遅くなります」と Xie 氏は言います。 「そのため、これら 2 つの手法を組み合わせて、その魅力的な特性を利用できるかどうかを確認したかったのです。 これにより、ほぼすべての形状のパーツを自由に作成できるようになります。」

触媒分野では、人々は 3D 印刷を使用して、触媒の露出表面積を増加させる微細なチャネルで穿孔されたセラミック構造を作成します。 Xu の方法は、そのような用途向けにより複雑な設計を可能にする可能性があり、テスト ケースとして、彼女はシリカとポリマーの複合体で作られた穴の開いた 3D 格子を印刷しました (添付の画像の赤い構造)。

Xu は、大規模な製造のために彼女のプロセスを自動化できる可能性があると述べています。 彼女と Xie は、陶芸と芸術のコミュニティがこの作品について学び、それを触媒や彫刻のデザイン、さらには研究者がまだ思いもよらない他の目的に応用することを望んでいます。

研究者は、中国国立自然科学基金からの支援と資金提供を認めています。

会議: ACS 2023 年春

タイトル
透明折り紙グラス

概要
折り紙の芸術は、ますます可能性を秘めたエンジニアリングツールとして登場しましたが、その技術は通常、柔らかく変形可能な素材に限定されています. ガラスは多くの用途に不可欠ですが、その脆い性質と光学的透明性を達成するための要件により、ガラスの加工オプションは限られています。 折り紙の技術で 3 次元の透明なガラスを作ることができる戦略を報告します。 私たちのプロセスは、均一に分散されたシリカナノ粒子を含む動的共有結合ポリマーマトリックスから始まります。 粒子キャビテーションと動的結合交換は、ナノコンポジットを設計可能な形状に永久に折り畳むことを可能にする 2 つの相補的な可塑性メカニズムを提供します。 さらに熱分解と焼結を行うと、透明な立体ガラスになります。 私たちの方法は、ガラス成形の範囲を拡大し、未踏の領域でその有用性を開く可能性があります.