صنع هياكل معقدة باستخدام الأوريجامي المطبوع

على الرغم من أنها تبدو صغيرة ومتواضعة، إلا أن الرافعة الورقية الصغيرة (طي الورق الياباني) تستقر على لوحة عينة في مختبر البروفيسور جينيفر لويس بجامعة إلينوي، تبشر بطريقة مبتكرة لصنع هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة للأجهزة الطبية الحيوية، والموائع الدقيقة والأنظمة الدقيقة الأخرى .

على الرغم من أنها تبدو صغيرة ومتواضعة، إلا أن الرافعة الورقية الصغيرة (طي الورق الياباني) تستقر على لوحة عينة في مختبر البروفيسور جنيفر لويس بجامعة إلينوي، تبشر بطريقة مبتكرة لصنع هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة للأجهزة الطبية الحيوية، والموائع الدقيقة والأنظمة الدقيقة الأخرى . بدأ طائر الجبابرة، بحجم العملة المعدنية، رحلته كورقة حبر مطبوعة مكونة من هيدريد التيتانيوم.

ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية المواد المتقدمة.

تُستخدم الهياكل الصغيرة والمعقدة، المصنوعة من المعادن أو المواد الخزفية أو البوليمرات، في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بدءًا من الأجهزة الطبية الحيوية وحتى نماذج المكونات الإلكترونية. إحدى طرق إنشاء مثل هذه الهياكل تسمى "تجميع الكتابة المباشرة" حيث تقوم طابعة كبيرة بحقن حبر يحتوي على جزيئات معدنية أو بوليمرية أو سيراميكية لإنشاء هيكل، طبقة فوق طبقة. وفي الخطوة التالية يتم تلدين الهيكل عند درجة حرارة عالية من أجل تبخر السائل الموجود فيه وربط الجزيئات فيما بينها للحصول على الأجسام الصلبة.

ومع ذلك، مع إضافة المزيد والمزيد من الطبقات، تميل الطبقات السفلية إلى الغرق أو حتى الانهيار تحت وطأة الوزن المتزايد - وهي مشكلة واجهها الباحثون أثناء محاولاتهم لإعداد سقالات التيتانيوم لهندسة الأنسجة. حاول أحد الباحثين اتباع نهج مختلف تمامًا: طباعة طبقة مسطحة ثم لفها على شكل هيكل حلزوني، أو حتى في كنيسة صغيرة بأشكال متنوعة. إن طي الأوراق المطبوعة ليس بالمهمة السهلة، كما يبدو للوهلة الأولى.

"تعتمد معظم مواد الحبر لدينا على تركيبات مائية، بحيث تجف بسرعة. وقال الباحث الرئيسي، وهو أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة إلينوي: "إنها تصبح قاسية للغاية وقد تتشقق عند طيها". كان التحدي في الخطوة التالية هو إيجاد حل من شأنه أن يجعل الطبقات المطبوعة مرنة بدرجة كافية بحيث يمكن طيها، وتظل مستقرة بدرجة كافية للاحتفاظ ببنيتها بعد الطي والتليين.

وقد قام فريق البحث بحل المشكلة عن طريق تقليد الأوريجامي الذي تم إنشاؤه عن طريق الطي الرطب، وهي طريقة يتم فيها ترطيب الورق جزئيًا لزيادة مرونته. من خلال استخدام خليط من المذيبات، أحدهما يجف بسرعة والآخر يجف ببطء، تجف الصفائح جزئيًا وتظل مرنة بدرجة كافية للسماح بطيها في عدة خطوات - 15 خطوة في حالة الرافعة.

يقول الباحث المشارك، البروفيسور ديفيد دوناند: "لقد عرفت بالفعل كيفية تحويل هيدريد التيتانيوم إلى تيتانيوم معدني دون تلويث الحبر، بناءً على الأبحاث السابقة التي أجريت في مختبري". وركز الباحث على طريقة تشكيل هياكل الأوريجامي الناعمة لهيدريد التيتانيوم إلى أجسام صلبة مكونة من التيتانيوم المعدني.

يتيح الجمع بين طرق الطباعة وطرق الأوريجامي الرطبة إمكانية إعداد هياكل أكثر تعقيدًا - مثل أجنحة الرافعة البارزة، وهي ميزة لا يمكن إنتاجها عن طريق الطباعة المباشرة وحدها. بالإضافة إلى ذلك، تمكن فريق البحث من إعداد صفائح ذات أنماط متنوعة، مما يضيف مستوى آخر إلى تعقيد البناء.

ويضيف الباحث الرئيسي: "من خلال الجمع بين هذه الأساليب، من الممكن إعداد هياكل معقدة للغاية بسرعة، والتي لا يمكن ببساطة تحضيرها باستخدام طرق الإنتاج الحالية الأخرى".

بعد ذلك، يأمل الفريق في توسيع مجموعة الأوريجامي لتشمل هياكل أكبر وأصغر بكثير، مع مجموعة متنوعة من أنواع الحبر. على سبيل المثال، يمكن توسيع الطريقة لتشمل مجموعة متنوعة من المعادن والمواد الخزفية الأخرى بدءًا من سبائك الفولاذ والنيكل والكوبالت إلى المعادن النبيلة والعنيدة الأخرى.

ويخطط الباحثون أيضًا لدراسة التطبيقات المحتملة للهياكل خفيفة الوزن، والأجهزة الطبية الحيوية، وأجهزة الاستشعار والمزيد.

ويضيف الباحث: "لقد بدأنا للتو في الاستفادة من قوة هذه الطريقة".

الأخبار في جامعة إلينوي