Vật liệu mới có khả năng biến hình nhờ origami      

Nghệ thuật gấp giấy Origami từ Nhật Bản có thể mở ra kỷ nguyên mới cho các vật liệu tiên tiến, theo một nghiên cứu do Đại học Michigan dẫn dắt

Origami là môn nghệ thuật sử dụng các kỹ thuật gấp đơn giản để tạo nên các thiết kế phức tạp. Giờ đây, các nhà khoa học đang nghiên cứu kỹ thuật này để làm nền tảng cho vật liệu có khả năng “gấp” dưới tác động của lực phù hợp, ứng dụng đa dạng từ giày chạy bộ đến cánh máy bay.

James McInerney, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Origami nhận được rất nhiều chú ý trong thập kỷ qua nhờ khả năng triển khai hoặc biến đổi cấu trúc của nó. Chúng tôi tự hỏi làm thế nào có thể dùng các nếp gấp khác nhau để kiểm soát cách vật liệu biến dạng dưới tác động của lực và áp suất khác nhau.”

Trên tạp chí Nature Communications, McInerney và cộng sự đã giới thiệu phương pháp mới để mô hình hoá các nếp gấp nhằm hiểu rõ chúng hơn và từ đó kiểm soát được đặc tính vật liệu. Về nguyên tắc, ý tưởng này tương tự như ta dễ đoán hình dạng khi gập của một tấm bìa có nhiều nếp gấp  hơn là độ biến dạng của một tấm bìa mới khi chịu áp lực. Bằng cách tạo ra nếp gấp , các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh cách vật liệu phản ứng với các lực. McInerney cho biết cách kiểm soát này đem lại rất nhiều ứng dụng: “Từ thiết kế các tòa nhà, máy bay và tàu hải quân đến đóng gói và vận chuyển hàng hóa, đều có sự đánh đổi giữa tăng khả năng chịu tải và tăng tổng trọng lượng. Mục tiêu của chúng tôi là nâng cao các thiết kế chịu tải bằng cách thêm các nếp gấp lấy cảm hứng từ origami, mà không làm tăng trọng lượng.”

GS. Xiaoming Mao, đồng tác giả của nghiên cứu, bổ sung: “Nói một cách rộng hơn, origami là một ví dụ về siêu vật liệu – các vật liệu đạt được đặc tính mới thông qua thiết kế, lập trình cấu trúc thay vì thành phần hoá học. Hình dạng gấp mang lại cho tờ giấy những đặc tính hoàn toàn mới”.

Bên dưới nếp gấp

Dù dễ dàng hình dung ra các vật liệu phẳng như tờ giấy, nhưng ta khó lòng dự đoán được phản ứng của chúng dưới tác động của lực. PGS. Rocklin, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết: “Khi tôi kéo hai đầu tờ giấy, nó khá chắc và không rách toạc. Nhưng nó cũng linh hoạt, nhàu nát hay uốn lượn tuỳ vào cách tôi di chuyển. Điểm này rất khác với chất rắn thông thường và rất hữu ích.”

Tạo ra các nếp gấp có thể “lập trình” vật liệu hoạt động theo cách nhất định, nhưng xác định thời điểm và cách thức tạo ra nếp gấp lại là thách thức.     

Khi xem xét vật liệu lấy cảm hứng từ origami, các nhà vật lý bắt đầu với một tấm phẳng được gấp nếp cẩn thận hòng tạo ra hình dạng ba chiều cụ thể. Nhưng phương pháp này lại có hạn chế khi chỉ mô hình hóa nếp gấp dựa trên hình bình hành (hình vuông, hình chữ nhật) điều này giới hạn khả năng “biến hình” của vật liệu.

Vì thế, nhóm tác giả  chuyển sang hình thang, chỉ có một cặp cạnh song song. Dùng những hình đa dạng hơn khiến các tác giả khó mô hình hoá các nếp gấp hơn, nhưng bù lại, nó đem lại sự linh hoạt cho vật liệu. Các thiết kế mới này có khả năng thay đổi hình dạng theo hai cách riêng biệt: “thở” bằng cách giãn và co lại một cách đều đặn, và “trượt” bằng cách biến dạng theo chuyển động xoắn.

Đáng ngạc nhiên, nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy rằng một số “hành vi” trong origami dựa trên hình bình hành cũng tồn tại trong origami hình thang, gợi ý về một số đặc điểm phổ quát trong các thiết kế.

Rocklin nói: “Dù nghiên cứu của chúng tôi mang tính lý thuyết, những hiểu biết này có thể mang lại nhiều cách triển khai và sử dụng cấu trúc này hơn. Rất nhiềuchất rắn thông minh trong sinh học và tự nhiên, như cơ thể chúng ta, sẽ biến dạng theo những cách cụ thể và hữu ích khi cần thiết. Đó là những gì chúng tôi đang cố gắng tái tạo bằng origami”.

Diễm Quỳnh dịch từ ĐH Michigan

Nguồn: https://news.umich.edu/how-origami-could-unlock-a-new-class-of-materials/