Selbstfaltendes Origami

Ein einziges Stück einer Folie aus Nafion reicht aus, um eine breite Palette komplexer 3D-Struk­turen zu erzeugen. Adebola Oyefusi und Jian Chen von der Univer­sity of Wisconsin-Milwaukee in den USA gelang es, durch eine einfache chemische Program­mierung die Folie dazu bringen, sich selbst­tätig analog Origami- und Kirigami-Falt­prinzi­pien zu formen. Diese Faltungen lassen sich immer wieder löschten und die Folie neu program­mieren.

Der Trick des Forscher-Duos: Nafion kann im sauren Milieu protoniert, im akalischen deproto­niert werden. Proto­niert schrumpft gerecktes Nafion ab 100 Grad Celsius, depro­to­niert erst ab 260 Grad Celsius. Solange man zwischen diesen Tempe­ra­turen bleibt, schrumpfen nur Bereiche, in denen das Nafion proto­niert vor­liegt. Im deproto­nierten Zustand ist das Nafion gegen­über Schrumpfen also gesperrt, im proto­nierten Zustand ent­sperrt. Das machen sich die Forscher zu Nutze, indem sie die für die Faltung benö­tigten Infor­ma­tionen in Form eines Musters aus ent­sperr­ten Bereichen in einer gereckten, mit Kali­lauge ge­sperr­ten Nafion-Folie kodieren. Das Muster wird als feine Linien mit Salz­säure auf­ge­malt. Durch Erhitzen über hundert Grad Celsius schrumpft die Folie im Bereich der Linien und faltet sich entlang der als Falz wirken­den Linien.

Die Forscher stellten verschiedene einfache und komplexe Geome­trien her, etwa einen Vogel und ein in der Technik gängiges Zick­zack-Rippen­muster. Solar­segel für Satel­liten werden beispiels­weise in diesem Muster herge­stellt. Sie können so platz­sparend trans­por­tiert und vor Ort mit einer Bewe­gung aus­ein­ander­ge­zogen werden. Durch einfache Säure-Base-Behand­lung und Erhitzen ließen sich die program­mierten Formen immer wieder löschen und die Nafion-Folie erneut kodieren und formen.

Die 3D-Strukturen aus Nafion können als Mutterformen ver­wendet werden. So lassen sie sich mit einem Kunst­stoff wie Poly­dimethyl­siloxan abformen und diese Sekundär­form ver­wenden, um Form­teile aus den verschie­denen Materi­alien, wie Poly­meren, Kera­miken oder Metallen, herzu­stellen. Die vari­ablen repro­gram­mier­baren Mutter­formen sparen Zeit, Kosten und Abfall, da sie ohne ein auf­wändiges Recyc­ling direkt wieder­ver­wendet werden können.

W-VCH / RK