Metamateriais e estruturas metal-orgânicas origamicas
Estrutura cristalina e mosaico de origami revelados no PPF-301. A) Dois blocos de construção para PPF-301:Zn2 (COO)4 Ligador SBU e TCMOPP. Zn =amarelo; C =cinza; N =azul; O =vermelho; todos os átomos de hidrogênio e moléculas de solvente são omitidos para maior clareza. B) Simplificação do MOF porfirínico 2D, levando à tesselação de origami. Solventes e hidrogênio são omitidos para maior clareza. Os ladrilhos azuis e amarelos preencheram o ligante TCMOPP e o Zn SBU, respectivamente. As bolas vermelhas são átomos de oxigênio do grupo ariloxi. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8 Origami é um processo de dobragem de papel geralmente associado a brincadeiras infantis, principalmente para formar um guindaste dobrado em papel, mas é, recentemente, um tópico de pesquisa fascinante. Os materiais inspirados no origami podem atingir propriedades mecânicas que são difíceis de alcançar em materiais convencionais, e os cientistas de materiais ainda estão explorando tais construções com base na tesselação de origami em nível molecular.
Em um novo relatório agora publicado na Nature Communications , Eunji Jin e uma equipe de pesquisa em química e aceleração de partículas no Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan, República da Coréia, descreveram o desenvolvimento de uma estrutura metal-orgânica porfirínico bidimensional, automontada a partir de nós de zinco e ligantes de porfirina baseados em mosaico de origami.
A equipe combinou teoria e resultados experimentais para demonstrar mecanismos de origami subjacentes à estrutura metal-orgânica porfirínico 2D com o ligante flexível como ponto de articulação. A tesselação 2D escondida dentro da estrutura metal-orgânica 2D revelou moléculas de origami em nível molecular.
A matemática e a ciência da dobradura de papel
A arte de dobrar papel, também conhecida como origami, estende-se agora para além desse nicho, abrangendo a ciência, a engenharia, a arquitetura e outras indústrias. A lista de aplicações do origami está se ampliando, como exemplificado com células solares, eletrônicos e dispositivos biomédicos. As escalas de comprimento usadas para o origami também evoluíram do metro para a nanoescala, com relações estreitas com mosaicos de origami, como Miura-ori, superfícies de ondulação dupla, Yoshimura e padrões quadrados, para citar alguns. Cada mosaico de origami contém padrões semelhantes ou repetidos, embora os mosaicos sejam projetos altamente implantáveis para construir metamateriais mecânicos com um índice de Poisson negativo; uma propriedade mecânica exótica.
Apesar do advento de uma variedade de materiais inspirados no origami, a construção de materiais moleculares baseados em mosaicos de origami continua a ser um desafio. Cientistas de materiais mostraram como é possível desenvolver materiais inspirados em origami usando estruturas metal-orgânicas que servem como uma plataforma ideal com recursos exclusivos que são virtualmente ilimitados e perfeitamente personalizáveis. Os pesquisadores estão explorando geometrias envolvendo tesselação para descobrir a dinâmica oculta das estruturas metálicas orgânicas.
Neste novo trabalho, Jin e colegas descreveram estruturas metal-orgânicas baseadas em superfícies de ondulação dupla de mosaico de origami que montaram a partir de um ligante de porfirina flexível e uma unidade de construção secundária de roda de pás de zinco. O movimento térmico revelado nas estruturas metal-orgânicas dependia da mecânica do origami para mostrar comportamentos de dobramento incomuns. Tais estruturas metal-orgânicas baseadas em mosaico de origami podem ser incorporadas em breve como uma classe emergente ativa de metamateriais mecânicos. A) Representação esquemática dos ângulos de dobramento θ1 e θ2 e comprimentos d1 e d2 . B) Relação entre os ângulos de dobramento, θ1 e θ2 . C) Relações entre θ1 e d1 (topo) e θ1 e d2 (fundo). Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8 Desvendando estruturas cristalinas
A equipe de pesquisa desenvolveu os cristais PPF 301 com componente de zinco porfirina por meio de uma reação solvotérmica. Esses cristais exibiam uma cor púrpura pálida e exibiam um formato de placa retangular. Durante os experimentos, o núcleo da porfirina sofreu metalação para desenvolver um íon zinco de cinco coordenadas. A camada 2D automontada do PPF-301 apresentou uma estrutura corrugada com grupos ariloxi flexíveis, onde as estruturas quadradas 2D foram construídas a partir de um ligante porfirínico tetratópico. A equipe visualizou o padrão de difração de raios X do pó síncrotron da amostra de cristal baseada em origami PPF301 "conforme sintetizado", que combinava bem com o padrão simulado. Como as superfícies de ondulação dupla eram altamente implantáveis, a construção PPF301 mostrou movimento de origami baseado em pontos nodais flexíveis.
A resposta térmica e o mosaico de origami do cristal PPF301
Jin e sua equipe testaram uma possível mudança estrutural nos cristais PPF301 realizando difração de raios X de cristal único síncrotron dependente da temperatura em um laboratório de acelerador. Durante os experimentos, eles prepararam um cristal em um capilar selado com uma pequena quantidade de solvente adicionada para evitar a perda de cristalinidade. A expansão das camadas cristalinas contribuiu para um aumento do volume celular e, embora alterações no espaçamento entre camadas estivessem presentes em estruturas metal-orgânicas 2D, o coeficiente de expansão térmica do material foi significativamente maior do que o de muitas estruturas metal-orgânicas 2D.
Além disso, as superfícies duplas onduladas do material se desviaram e a equipe comparou o experimento e o modelo mecânico baseado no mosaico de origami. Eles então identificaram a origem do movimento do origami no metamaterial para o ângulo diédrico e os ângulos de ligação do grupo ariloxi, que contribuíram para a estrutura de origami 2D do PPF-301. Mecânica de origami do PPF-301. A) Superfícies 3D e gráficos polares 2D da razão de Poisson obtidos pela visualização ELATE. As linhas azuis e pretas representam os valores positivos máximos e mínimos, respectivamente. A linha vermelha representa os valores negativos mínimos sobre todos os valores possíveis. B) Vista superior do movimento atômico correspondente ao coeficiente de Poisson mínimo. As áreas cinzentas dobradas desdobram-se à medida que a tensão é aplicada ao longo da direção u, conforme mostrado na figura da esquerda para a direita na figura ao longo das setas cinzentas. seta azul; u = (−0,766, 0,438, 0,471) e seta preta; v = (−0,314, 0,385, −0,868) direções. C) Mecanismo implantável de mosaico de origami DCS. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8 Propriedades mecânicas do metamaterial de origami
A equipe de pesquisa investigou as propriedades mecânicas do PPF-301 com base no movimento de origami e realizou cálculos de mecânica quântica para construir uma estrutura otimizada e, em seguida, calculou as energias eletrônicas totais da construção. Utilizando valores máximos e mínimos de restrições elásticas, verificaram a contribuição direcional do material. Quando a equipe aplicou estresse mecânico, o movimento acompanhou mudanças nos ângulos diédricos e nos ângulos de ligação no grupo ariloxi.
Anteriormente, os cientistas de materiais examinaram várias estruturas metal-orgânicas flexíveis que possuem propriedades anormais, incluindo compressibilidade linear negativa e índice de Poisson negativo. No entanto, é difícil gerar estruturas metal-orgânicas flexíveis 2D, embora as características e propriedades do material desenvolvido neste estudo fossem adequadas ao seu comportamento na forma de um metamaterial de origami.
Perspectiva
Desta forma, Eunji Jin e sua equipe descobriram cristais dinâmicos que mudaram completamente a ideia geral dos sólidos como entidades concretas não dinâmicas. As estruturas metal-orgânicas flexíveis mostraram uma transformação notável baseada em abundantes blocos de construção moleculares, ligantes orgânicos e nós metálicos. Os cientistas realizaram movimentos locais desses blocos de construção, incluindo comportamentos de flexão, torção e rotação através da topologia.
Eles revelaram comportamentos dinâmicos ocultos de estruturas metal-orgânicas com geometrias flexíveis. A equipe de pesquisa manteve o padrão inerentemente enrugado da camada 2D para abrir uma categoria distinta de metamateriais de estrutura metal-orgânica com propriedades mecânicas. Ao regular a distância entre os nós metálicos mediante estímulos externos, eles desenvolveram processos avançados de computação quântica molecular adequados para futuras aplicações de estruturas orgânicas metálicas de origami.
Mais informações: Eunji Jin et al, Estrutura metal-orgânica origamic em direção ao metamaterial mecânico, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43647-8 Informações do diário: Comunicações da Natureza
