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A antiga arte do origami é bem conhecida por transformar folhas de papel e outros materiais dobráveis em formas 3D complexas. Mas agora, os engenheiros químicos ampliaram a prática secular para produzir formas intrincadas feitas de vidro ou outros materiais duros. Seu método totalmente moderno, que pode ser combinado com a impressão 3D, pode ter aplicações que vão desde a escultura até a catálise e muito mais.
Os pesquisadores apresentarão seus resultados hoje na reunião de primavera da American Chemical Society (ACS).
Em trabalhos anteriores, os pesquisadores usaram origami e a técnica relacionada de kirigami – que combina corte com dobra – para moldar materiais macios feitos de polímeros. “Mas queríamos estender essas técnicas ao vidro e à cerâmica, que são muito mais difíceis de processar em formas complexas do que os polímeros”, diz Tao Xie, Ph.D., principal pesquisador do projeto.
Normalmente, o vidro e a cerâmica são moldados em um molde ou impressos em 3D na estrutura final desejada. Mas um molde não pode produzir uma forma complicada, diz Xie. E embora a impressão 3D possa fazer isso, ela é lenta e um objeto pode ser frágil e precisar de suporte extra enquanto está sendo feito. Além disso, o item impresso geralmente tem uma textura em camadas que pode não ser a aparência ideal. A equipe partiu para ver se eles poderiam superar essas deficiências.
Yang Xu, uma estudante de pós-graduação que trabalha no laboratório de Xie na Universidade de Zhejiang, desenvolveu uma técnica na qual ela misturou nanopartículas de sílica – o principal ingrediente para fazer vidro – em um líquido contendo vários compostos. A cura da mistura com luz ultravioleta produziu um polímero de policaprolactona reticulado com pequenas esferas de sílica suspensas nele, como passas em pão de passas.
Em seguida, Xu cortou, dobrou, torceu e puxou folhas desse compósito polimérico translúcido, que tem propriedades mecânicas semelhantes às do papel, para fazer uma garça, uma pena, um vaso rendado e uma esfera de fitas entrelaçadas, entre outros objetos. Se ela fizesse isso em temperatura ambiente, o composto retinha sua nova forma razoavelmente bem durante as etapas de produção restantes. Xu descobriu que isso ocorre porque o processo de dobramento e alongamento interrompe irreversivelmente a interface entre algumas das partículas de sílica e a matriz polimérica. Mas se é fundamental reter totalmente a nova forma durante as etapas subsequentes, Xu descobriu que o compósito deve ser aquecido a cerca de 265 F quando é dobrado e esticado. Isso reorganiza permanentemente os elos entre as cadeias poliméricas, fixando firmemente a nova forma no lugar.
Uma etapa subsequente de aquecimento a mais de 1.100 F remove o polímero de policaprolactona do objeto e o torna opaco. Após o resfriamento, uma terceira etapa de aquecimento, conhecida como sinterização, funde as partículas de sílica a temperaturas que chegam a 2.300 F para converter o objeto em vidro transparente com uma textura suave e sem camadas. Alcançar essa total transparência acabou sendo o maior desafio do projeto. A inclusão de mais polímero na mistura facilitou a dobragem dos objetos, mas reduziu a transparência final, explica Xu, que apresenta o trabalho no encontro. Ela finalmente encontrou as concentrações certas de polímero e sílica para conciliar com sucesso essas prioridades concorrentes.
Em seu último trabalho, Xu está estendendo o método além do vidro para a cerâmica, substituindo a sílica por substâncias como dióxido de zircônio e dióxido de titânio. Considerando que o vidro é frágil e inerte, esses compostos abrem a possibilidade de produzir objetos “funcionais”, como materiais menos frágeis que o vidro ou com propriedades catalíticas.
O grupo também está experimentando uma combinação de kirigami e impressão 3D para criar formas ainda mais complexas. “Quando você dobra um pedaço de papel, o nível de complexidade é um tanto limitado e a impressão 3D é meio lenta”, diz Xie. “Então, queríamos ver se poderíamos combinar essas duas técnicas para tirar proveito de seus atributos atraentes. Isso nos daria a liberdade de fazer quase qualquer peça moldada.”
No campo de catalisadores, observa Xie, as pessoas usam a impressão 3D para fazer estruturas de cerâmica perfuradas com canais microscópicos, que aumentam a área de superfície exposta de um catalisador. O método de Xu pode permitir designs mais intrincados para tais aplicações e, como caso de teste, ela imprimiu uma treliça 3D perfurada feita de composto de sílica-polímero (estrutura vermelha na imagem a seguir).
Xu observa que seu processo pode ser automatizado para fabricação em larga escala. Ela e Xie esperam que a cerâmica e as comunidades artísticas aprendam sobre o trabalho e o apliquem no design de catalisadores e esculturas, bem como em outros propósitos nos quais os pesquisadores ainda nem pensaram.
Os pesquisadores reconhecem o apoio e financiamento da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China.
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