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(Foco Nanowerk) El origami, el antiguo arte de doblar papel, se ha utilizado durante siglos para crear figuras decorativas para manualidades y obras de arte. Sin embargo, en las últimas décadas, los principios del origami han inspirado innovaciones tecnológicas en el desarrollo de metamateriales mecánicos flexibles. Estos materiales basados en origami pueden plegarse y desplegarse de forma reversible en respuesta a cambios ambientales, lo que permite aplicaciones desde paneles solares hasta implantes médicos. Sin embargo, imitar el mecanismo de plegado a nivel microscópico y molecular seguía siendo un objetivo difícil de alcanzar.
Ahora los investigadores han desarrollado un material de estructura organometálica (MOF) adaptable que cambia dinámicamente de forma siguiendo de cerca las teselaciones de origami, los patrones de plegado repetidos que permiten que las estructuras del papel se expandan y contraigan.
Publicado en comunicación de la naturaleza (“Marco organometálico origamico hacia el metamaterial mecánico”), este descubrimiento de un MOF “origamico” introduce una clase completamente nueva de materiales cristalinos que responden a estímulos con propiedades exóticas. También abre posibilidades para controlar arquitecturas moleculares con actuadores e interruptores plegables.
Durante más de 20 años, los científicos han estado sintetizando MOF, materiales de redes de coordinación compuestos por nodos metálicos conectados por enlaces orgánicos y caracterizados por una porosidad extrema, lo que permite aplicaciones como el almacenamiento de hidrógeno. Si bien se descubrió que algunos MOF flexibles cambiaban su configuración en respuesta a factores externos como cambios de temperatura, ninguno replicó los patrones de plegado de origami observados en dimensiones macroescala.
«La lista de aplicaciones del origami en tecnología está creciendo rápidamente, como células solares, electrónica plegable, baterías de iones de litio y dispositivos biomédicos», dijo el Dr. Wonyoung Choe, coautor del artículo, pero los principios operativos se reducen más allá de la nanoescala para la integración en la microelectrónica se enfrentan a obstáculos persistentes.
La innovación clave que ahora permite que los MOF monocristalinos exhiban teselaciones de origami fue identificar e incorporar subcomponentes moleculares flexibles específicos que sirven como marcadores de posición para pliegues y bisagras.
«Los principios del diseño de origami ahora se están extendiendo al arte, la ciencia, la ingeniería, la arquitectura y más allá a la industria debido a los usos fascinantes de la arquitectura de origami», explicó el Dr. Choe.
En esta investigación, los restos de fenileno giratorios con enlaces aril-oxígeno giratorios en toda la estructura actúan como puntos de apoyo para controlar los cambios de forma coordinados globalmente.
Los investigadores prepararon muestras autoensamblando enlazadores personalizados a base de porfirina con nudos de zinc en forma de rueda de paletas en un MOF bidimensional en capas llamado PPF-301 mediante síntesis solvotérmica. Un análisis avanzado que combina cristalografía de rayos X monocristalino de 100 a 380 K con modelado computacional reveló que PPF-301 sufre cambios estructurales dependientes de la temperatura que siguen los patrones de plegado de montañas y valles de una teselación origámica de Miura-ori. Esta arquitectura particular pertenece a una clase más amplia de estructuras de acordeón altamente plegables, aunque rígidas, que normalmente se utilizan para cubiertas de paneles solares que deben desplegarse después del lanzamiento.
Las investigaciones han demostrado que cuando se calientan, las capas de la estructura se aplanan constantemente a medida que el ángulo de giro entre las baldosas aumenta progresivamente en casi 4 grados, tal como lo dicta la geometría del origami subyacente.
«El descubrimiento de la teselación 2D oculta en el MOF 2D revela la mecánica del origami a nivel molecular», explicó el Dr. Choe. Además, dado que toda la secuencia de reordenamiento es térmicamente reversible sin histéresis, parece probable que este MOF atípico se pliegue y despliegue repetidamente a través de ciclos de temperatura.
A continuación, las simulaciones por computadora confirmaron que los principios del origami también confieren propiedades metamateriales, y que PPF-301 tiene una relación de Poisson negativa en la dirección de deformación más suave. Esto significa, contrariamente a la intuición, que esta placa sólida y cristalina se expande lateralmente cuando se estira, a diferencia de la mayoría de los materiales, que se adelgazan bajo tensión.
También está el gran 160 MK-1 El coeficiente de expansión térmica medido es significativamente mayor que el de casi todas las demás estructuras organometálicas 2D. Estas propiedades surgen directamente del patrón Miura-ori, que provoca movimientos moleculares coordinados.
En general, la arquitectura transmite una combinación inusual de capacidad de respuesta estimulante y anomalías mecánicas que rompe las suposiciones sobre las limitaciones materiales innatas. Al imitar el origami de papel para dar movilidad integrada a un MOF mediante la colocación estratégica de articulaciones flexibles, los investigadores abrieron un reino inexplorado de compuestos cristalinos con capacidad de respuesta previamente inimaginables.
Las primeras aplicaciones futuras se centran en la reconfiguración eléctrica o fotónica de dispositivos de detección y visualización. Las trayectorias de investigación a largo plazo apuntan claramente a la integración de andamios 2D en mosaico trigonal como actuadores moleculares. La introducción de enlazadores asimétricos personalizados o la excitación de unión selectiva también puede localizar deformaciones de plegamiento para la codificación de información.
Aquí, las teselaciones de origami, promediadas sobre cristales en masa, funcionan de manera análoga a los metamateriales tridimensionales que contienen motivos subestructurales mucho más pequeños que las longitudes de onda operativas. Esta investigación ahora abre la puerta a combinar la síntesis química ascendente con métodos litográficos de arriba hacia abajo para construir sistemas microelectromecánicos híbridos (MEMS) que integren elementos MOF de origami.
«Las teselaciones de origami se pueden aplicar a principios de diseño avanzados de MOF para ensamblar estructuras dinámicas que exhiban movimientos de origami», explicó el Dr. Choe. Además, la incorporación de cromóforos sensibles o portadores de espín en la columna vertebral puede permitir la modulación de comportamientos de procesamiento optoelectrónico o cuántico mediante la reconfiguración.
Al demostrar cómo se pueden incorporar conceptos de plegado de papel en la síntesis de estructuras organometálicas, este descubrimiento innovador abre un campo completamente nuevo de compuestos cristalinos mecánicamente activos y que responden a estímulos. Los resultados proporcionan avances conceptuales importantes para la ciencia de materiales sensibles a estímulos y la apertura de un nuevo territorio con numerosas fases MOF de origami metaestables desconocidas que se descubrirán mediante ajustes estructurales.
Así como los diseños a macroescala en ingeniería civil y aeroespacial se benefician de los beneficios de la capacidad de fabricación del origami, los esfuerzos futuros aportarán una confiabilidad adaptativa similar a los componentes y dispositivos fabricados molecularmente.
En general, esta investigación proporciona una plataforma molecular innovadora capaz de imitar el antiguo arte del plegado de papel origami. Los conocimientos adquiridos sientan las bases para multiplicar la cartera de metamateriales multifuncionales mediante la integración de una combinación de mecánica extrema y porosidad ajustable. Al doblarse en movimientos de rotación coordinados controlados por patrones de plegado programables, esta nueva generación de materiales cristalinos plegables insinúa propiedades de respuesta previamente inimaginables que emergen en escalas de longitud transformadoras.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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