Som papir, grafen vrider og foldes til maskiner i nanoskala

Kunsten at kirigami involverer at skære papir i indviklede designs, som snefnug. Cornell-fysikere er kirigami-kunstnere, også, men deres papir er kun et atom tykt, og kan blive nogle af de mindste maskiner, verden nogensinde har kendt.

Et forskningssamarbejde ledet af Paul McEuen, John A. Newman professor i fysisk videnskab og direktør for Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science (KIC), tager kirigami ned på nanoskalaen. Deres skabelon er grafen, enkelt atomtykke plader af hexagonalt bundet kulstof, berømt for at være ultra tynd, ultra stærk og en perfekt elektronleder. I journalen Natur 29. juli, de demonstrerer anvendelsen af ​​kirigami på 10 mikron ark grafen (et menneskehår er omkring 70 mikron tykt), som de kan skære, folde, drej og bøj, ligesom papir.

Grafen og andre tynde materialer er ekstremt klæbrige i den skala, så forskerne brugte et gammelt trick for at gøre det lettere at manipulere:De suspenderede det i vand og tilføjede overfladeaktive stoffer for at gøre det glat, som sæbevand. De lavede også "håndtag" af guldfaner, så de kunne få fat i enderne af grafenformerne. Medforfatter Arthur Barnard, også en Cornell-fysikstuderende, fandt ud af, hvordan man manipulerer grafen på denne måde.

Studiets første forfatter, Melina Blees, en tidligere fysikstuderende og nu postdoc-forsker ved University of Chicago, sagde, at hun modtog en "entusiastisk velkomst" fra Institut for Kunst, hvor forskerne brugte tid i biblioteket på at studere papir- og stofdesigns og finde på måder at oversætte dem til grafen.

De lånte en laserskærer fra Arkitektskolen, Kunst og Planlægning butik, skabe papirmodeller af deres designs, før du går over til Cornell NanoScale Science and Technology Facility for at fremstille dem af grafen.

"Det var virkelig sand udforskning, skære ting ud af papir og lege med dem, forsøger at forestille sig, hvordan en 'hængende kirigami-mobil til børn' kunne blive en fjeder på nanoskala til at måle kræfter eller interagere med celler, " sagde Blees.

Med et ark grafen, for eksempel, de lavede en blød fjeder, som fungerer ligesom en meget fleksibel transistor. De kræfter, der er nødvendige for at bøje en sådan fjeder, vil være sammenlignelige med kræfter, som et motorprotein kan udøve, sagde McEuen. Ind i de biologiske kræfters rige, eksperimenterne åbner op for en ny legeplads af ideer til fleksible, nanoskalaenheder, der kunne placeres omkring menneskelige celler eller i hjernen til sansning.

Forskerne demonstrerede også, hvor godt grafen bøjer i et simpelt hængseldesign, kvantificere de nødvendige kræfter. Åbning og lukning af hængslet 10, 000 gange, de fandt ud af, at den forbliver perfekt intakt og elastisk – en potentielt nyttig kvalitet til foldbare maskiner og enheder i den skala.

Bygger på principperne fra papiret, et relateret forskerhold hos Cornell har netop modtaget midler fra forsvarsministeriet til at fortsætte med at udvikle teknologier omkring fleksible materialer som grafen, ved at bruge nogle af de demonstrerede kirigami-principper.

Arbejdet, som også omfattede David Muller, professor i anvendt og teknisk fysik og meddirektør for KIC, blev støttet af Cornell Center for Materials Research, som er finansieret af National Science Foundation; kontoret for søforskning; og Kavli Instituttet ved Cornell for Nanoscale Science.