北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)的研究人員已開發出一種簡單的方式,可把二維模型轉換成三維物體,只需使用光。8 e/ g8 S. W+ J, T' v% Q
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* R+ o% S3 V+ s' J) _# h$ @二維平面塑料片,在紅外光照射下,黑線會收縮,形成轉軸,使材料折疊起來。這項新技術可用于創造各種物體,如立方體或金字塔,不需要在物理上接觸這種材料。9 Q% H3 ]" N- r
| “這是現有材料的新應用,有望用于快速、大批量制造工藝或包裝應用,”邁克爾•迪基(Michael Dickey)博士說,他是北卡羅來納州大學化學和生物分子工程助理教授,聯合撰寫了一篇論文,介紹這項研究。$ c) N2 o" O1 B( e4 G u1 K5 i
這個過程是非常簡單的。研究人員采用預制塑料片,使它經過傳統的噴墨打印機,在材料上打印出粗體黑線。這種材料隨后被切成所需的模式,放在紅外光,如加熱燈下。
# P3 V0 ?' C7 b" T! U5 H& S) E這種粗體黑線會吸收更多的能量,超過材料其余部分,導致塑料收縮,形成一個轉軸,把塑料片折疊成三維形狀。這種技術可用于創造各種物體,如立方體或金字塔,不需要在物理上接觸這些材料。這一技術可兼容商業印刷技術,如絲網印刷(screen printing),卷到卷印刷和噴墨印刷,這些技術都價格低廉,產量高,但實質上是2維的。) c5 S! t. R1 k( W
改變黑線或轉軸的寬度,研究人員就可改變每個轉軸的折疊程度。例如,他們可以創造一個轉軸,折疊90度,形成立方體,或創造轉軸,折疊120度,形成金字塔。轉軸越寬,折疊幅度越大。更寬的轉軸折疊也更快,因為有更多的表面積吸收能量。7 G, X; G" S2 z4 x% O5 c! d, ]
“你也可以設計這些線條,印在材料的任一側,”迪基說,“這會使轉軸朝不同的方向折疊。就可以創造更復雜的結構。”7 G4 W4 z3 M7 p- Q9 a4 P2 F1 n
研究人員開發出一種計算機模型,來解釋這一過程如何起作用。有兩個關鍵的發現。首先,轉軸的表面溫度必須超過這種材料的玻璃轉化溫度,就是在這一點,這種材料開始軟化。其次,熱量必須集中到轉軸上,以快速有效地折疊。如果所有材料都被加熱到玻璃轉換溫度,就不會出現折疊。
y' [. H W' g! s6 i' e“這一發現的起始工作,就是我們過去所做的形狀記憶聚合物,這部分是為了滿足自己的好奇心。事實證明,它的效果出乎意料的好,”迪基說。
% h* e* w0 j$ G" e/ T# a- B論文《自折疊聚合物片采用局部光吸收》(Self-folding of polymer sheets using local light absorption),11月10日發表在《軟物質》(Soft Matter)雜志上,聯合作者有迪基,北卡羅來納州立大學化學和生物分子工程教授簡安•君澤(Jan Genzer),北卡羅來納州立大學博士生劉穎(Ying Liu)和北卡羅來納州立大學本科生朱莉•寶萊斯(Julie Boyles)。這項工作的部分支持來自美國能源部。: \; g, J4 }& w; O: O; g6 \& y1 E
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