Kirigami-stil fremstilling kan muliggøre nye 3D nanostrukturer

En ny teknik, der efterligner den gamle japanske kunst kirigami, kan tilbyde en lettere måde at fremstille komplekse 3D-nanostrukturer til brug i elektronik, fremstilling og sundhedspleje.

Kirigami forbedrer den japanske kunstform origami, som involverer foldning af papir for at skabe 3D strukturelle designs, ved strategisk at indarbejde snit til papiret før foldning. Metoden gør det lettere for kunstnere at skabe sofistikerede tredimensionelle strukturer.

"Vi brugte kirigami på nanoskala til at skabe komplekse 3D nanostrukturer, " sagde Daniel Lopez, Penn State Liang professor i elektroteknik og datalogi, og leder af teamet, der publicerede denne forskning i Avancerede materialer . "Disse 3D-strukturer er vanskelige at fremstille, fordi de nuværende nanofabrikationsprocesser er baseret på den teknologi, der bruges til at fremstille mikroelektronik, som kun bruger plan, eller flad, film. Uden kirigami teknikker, komplekse tredimensionelle strukturer ville være meget mere komplicerede at fremstille eller simpelthen umulige at lave."

Lopez sagde, at hvis der påføres kraft på en ensartet strukturel film, der sker ikke rigtigt andet end at strække det lidt, som det, der sker, når et stykke papir strækkes. Men når nedskæringer introduceres til filmen, og kræfter påføres i en bestemt retning, en struktur dukker op, svarende til, når en kirigami-kunstner anvender kraft på et klippet papir. Geometrien af ​​det plane mønster af snit bestemmer formen på 3D-arkitekturen.

"Vi demonstrerede, at det er muligt at bruge konventionelle plane fremstillingsmetoder til at skabe forskellige 3D nanostrukturer ud fra den samme 2D cut geometri, " sagde Lopez. "Ved at indføre minimumsændringer til dimensionerne af snittene i filmen, vi kan drastisk ændre den tredimensionelle form af pop-up-arkitekturerne. Vi demonstrerede enheder i nanoskala, der kan vippe eller ændre deres krumning blot ved at ændre bredden af ​​snittene nogle få nanometer."

Dette nye felt af nanoteknik i kirigami-stil muliggør udviklingen af ​​maskiner og strukturer, der kan skifte fra en form til en anden, eller morph, som reaktion på ændringer i miljøet. Et eksempel er en elektronisk komponent, der ændrer form ved forhøjede temperaturer for at muliggøre mere luftstrøm i en enhed for at forhindre, at den overophedes.

"Denne kirigami-teknik vil tillade udviklingen af ​​adaptiv fleksibel elektronik, der kan inkorporeres på overflader med kompliceret topografi, såsom en sensor, der hviler på den menneskelige hjerne, " sagde Lopez. "Vi kunne bruge disse koncepter til at designe sensorer og aktuatorer, der kan ændre form og konfiguration for at udføre en opgave mere effektivt. Forestil dig potentialet i strukturer, der kan ændre form med små ændringer i temperatur, belysning eller kemiske forhold."

Lopez vil fokusere sin fremtidige forskning på at anvende disse kirigami-teknikker på materialer, der er et atom tykke, og tynde aktuatorer lavet af piezoelektrik. Disse 2D-materialer åbner nye muligheder for anvendelser af kirigami-inducerede strukturer. Lopez sagde, at hans mål er at arbejde sammen med andre forskere ved Penn State's Materials Research Institute (MRI) for at udvikle en ny generation af miniaturemaskiner, der er atomisk flade og er mere lydhøre over for ændringer i miljøet.

"MRI er en af ​​verdens førende inden for syntese og karakterisering af 2D-materialer, som er de ultimative tynde film, der kan bruges til kirigami engineering, " sagde Lopez. "Desuden, ved at inkorporere ultratynde piezo- og ferroelektriske materialer på kirigami-strukturer, vi vil udvikle agile og form-morphing strukturer. Disse form-morphing mikro-maskiner ville være meget nyttige til applikationer i barske miljøer og til medicinafgivelse og sundhedsovervågning. Jeg arbejder på at gøre Penn State og MRI til stedet, hvor vi udvikler disse supersmå maskiner til en specifik række anvendelser."