Em um novo estudo agora publicado como um relatório e também ilustrado como a capa online de Science Advances , Julien Chopin, Arshad Kudrolli e uma equipe de pesquisa em Física nos EUA e no Brasil mostraram como folhas hiperelásticas torcidas formavam fios auto-rolados de várias camadas. Ao incorporar o alongamento dominante com a cinemática dobrável, eles mediram torque e energia originados de não linearidades geométricas. Eles então introduziram um modelo geométrico para explicar a formação e a estrutura desses fios auto-rolados. Os resultados mostraram como uma simples torção de origami na estrutura de dobra por torção tensional levou à transformação de folhas elásticas em arquiteturas automontadas.
Transformação de forma de folhas

Tradicionalmente, as folhas torcidas podem formar fios funcionais que dependem de milênios de prática humana para formar cordas de arco de categute, suturas cirúrgicas e tecidos vestíveis; no entanto, a prática ainda carece de princípios abrangentes que orientam a complexidade de tais arquiteturas. Fios enrolados com estruturas aninhadas podem ser usados ​​para aproveitar a energia das baterias e incorporar materiais amorfos. A dobra por torção tensionada pode transformar folhas planas em estruturas em camadas por meio de regulação de limite remoto. A dobra por torção e a rolagem podem ser usadas para reconfigurar e reaproveitar as folhas planas, como visto com o turbante multifuncional Rajasthan.

Para entender a transformação da forma de folhas e a interação entre topologia e grandes transformações de forma, Chopin et al usaram varredura de raios-X tridimensional para detalhar a formação espontânea de fios torcidos e multicamadas com arquiteturas internas ordenadas. No entanto, ainda é um desafio modelar as grandes transformações e configurações de formas. Estudos recentes incorporaram modelos de placas elásticas, incluindo a equação de Föppl-von Kármán (FvK) para resolver o crescimento inicial acima do início da instabilidade primária, mas esses métodos permanecem para explicar a transformação de uma folha plana em fios enrolados. Neste trabalho, Chopin et al desenvolveram uma nova estrutura para combinar a cinemática de folhas estruturadas e usaram origami para explicar essas observações. A equipe mostrou como as folhas dobradas mostravam formas poligonais regulares conforme descrito pelos símbolos Schläfli e como a cinemática do origami capturava as principais características da estrutura para fornecer uma estrutura que serviu de guia para desenvolver materiais hiperelásticos com amplas aplicações.

Torque com torção

A equipe mostrou exemplos de folhas de polidimetilsiloxano (PDMS) com torção crescente. À medida que a torção aplicada aumentava ainda mais, eles notaram a formação de uma estrutura helicoidal aninhada na cintura, seguida por instabilidades secundárias e dobras recursivas resultantes e um fio multicamadas enrolado. Cada grande transformação de forma fazia com que a taxa de mudança do torque aplicado mudasse de sinal e formasse uma variação de dente de serra com uma torção.

Chopin et al ilustraram a estrutura de torção tensional para entender os principais estágios observados de transformação de uma folha plana em fios auto-enrolados. Eles conseguiram isso introduzindo um conjunto de modelos para combinar geometria, elasticidade e cinemática para capturar as transformações de forma observadas. Os pesquisadores capturaram a energia elástica armazenada e a resposta de torção e seguiram este trabalho com tomografia de raios-X 3D para reconstruir folhas torcidas de polivinilsiloxano (PVS). Os cientistas então calcularam a densidade de energia de flexão usando folhas com vários módulos de Young e caracterizaram a transferência com torção.

Modelo de torque elastogeométrico, auto-dobrável e origami Schläfli

Com base nas observações experimentais, Chopin et al desenvolveram um modelo elastogeométrico para calcular a energia elástica armazenada e a resposta de torção da chapa. Eles conseguiram isso inspirando-se na teoria do campo tensional para descrever folhas altamente enrugadas, onde as tensões de flexão e compressão eram insignificantes em comparação com as tranças de tração. Como na teoria do campo tensional, Chopin et al assumiram que a energia durante o dobramento era predominantemente dada pelos modos de alongamento na direção longitudinal, enquanto os modos de dobramento eram subdominantes. A equipe comparou o torque medido em função da torção em relação à natureza hiperelástica do material e complementou sua análise elastogeométrica com a construção do origami para mostrar uma boa concordância entre a forma do origami e a folha torcida. Os cientistas então identificaram esses origamis usando símbolos Schläfli, que eles chamaram de origami Schläfli. Variando os símbolos de Schläfli, Chopin et al obtiveram envelopes em forma de triângulo, pentágono, heptágono e não-ágono. O trabalho destacou como a cinemática do origami sustentava a dobra de torção tensional.

Formação do fio e modelo geométrico do fio

Para modelar o crescimento do fio, Chopin et al assumiram que a folha poderia ser dividida em três seções, para incluir uma estrutura de comprimento semelhante a fio e duas estruturas semelhantes a leque. Essa simplificação permitiu que eles mantivessem o papel fundamental da borda da chapa torcida no modelo de torque elastogeométrico. Eles também estudaram a evolução do comprimento do fio envolvendo helicoidal as bordas do ventilador em torno de um núcleo cilíndrico de um diâmetro específico para formar um modelo de crescimento em bom acordo com os dados experimentais.

Perspectivas

Desta forma, Julien Chopin, Arshad Kudrolli e colegas descreveram a transformação notavelmente ordenada de folhas planas em fios de várias camadas enrolados. Eles conseguiram isso introduzindo uma série de modelos elastogeométricos simplificados para formar uma estrutura de dobra por torção tensional. A equipe explorou a estrutura plana de várias camadas introduzindo um modelo de origami Schläfli, onde o origami, quando torcido por meia volta, formou polígonos regulares em forma de estrela caracterizados por símbolos Schläfli. Chopin et al usaram a análise de tomografia de raios X para explicar a evolução da folha e indicaram a composição de uma região de fio altamente torcida no centro e regiões em forma de leque fracamente torcidas conectadas às duas pinças. O modelo incorporado neste trabalho foi baseado em cinemática simplificada para fornecer uma estrutura para permitir fios multifuncionais usando polímeros ultrafinos, nanotubos de carbono e folhas de grafeno, adequados como materiais com aplicações em medicina e eletrônica flexível. Os cientistas usaram polímeros PDMS (polidimetilsiloxano) e PVS (polivinilsiloxano) devido à sua hiperelasticidade sob diferentes condições de carga. A estratégia de dobra por torção tensional resultante pode criar estruturas funcionais reimplantáveis ​​a partir de elementos simples para fabricação avançada com materiais macios. + Explorar mais

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