De kunst van het papier snijden kan door een wegversperring snijden op weg naar flexibel, rekbare elektronica, een team van ingenieurs en een kunstenaar aan de Universiteit van Michigan heeft gevonden.

In de toekomst, een klein knikje in uw smartphone kan eerder als een functie dan als een defect worden beschouwd. Een belangrijk onderdeel van toekomstige elektronica dat kan worden opgerold, gevouwen of ingebed in flexibele objecten is de rekbare geleider, waaruit componenten zoals draden en elektroden zouden bestaan.

Geleiders die uitrekken zijn moeilijk te ontwerpen, en onder degenen die bekend zijn, ze zetten ofwel niet veel uit of de geleidbaarheid neemt een duikvlucht als ze dat wel doen. Door een op kirigami geïnspireerde dirigent te ontwikkelen, de Japanse kunst van het papier snijden, geleidbaarheid wordt vooraf opgeofferd. De sneden worden barrières voor elektrische geleidbaarheid, maar wanneer uitgerekt, de dirigenten zijn vaste artiesten.

"De kirigami-methode stelt ons in staat om de vervormbaarheid van de geleidende platen te ontwerpen, terwijl het voorheen een heel Edisoniaans proces was met veel missers en niet veel hits, " zei Nicholas Kotov, de Joseph B. en Florence V. Cejka hoogleraar Engineering, verwijzend naar Thomas Edison's trial-and-error benadering van uitvindingen.

Dit komt omdat wanneer materialen maximaal worden uitgerekt, het is moeilijk te voorspellen wanneer en waar rips zullen optreden. Echter, als de tranen op een doordachte manier zijn ontworpen, het vermogen van het materiaal om uit te rekken en te herstellen wordt betrouwbaar.

Het klinkt simpel, maar totdat kunst en techniek samenkwamen met dit project, niemand had gemeld dat hij kirigami gebruikte om de uitdaging van rekbare geleiders aan te gaan. De resultaten worden gepresenteerd in de nieuwste editie van Natuurmaterialen .

Matt Schlian, kunstenaar en docent aan de U-M Stamps School of Art and Design, inspireerde het werk met een vel papier dat werd uitgesneden om uit te breiden in een visgraatgaas wanneer het werd uitgerekt.

Het eerste prototype van de rekbare geleider van kirigami was overtrekpapier bedekt met koolstofnanobuisjes. De indeling was heel eenvoudig, met sneden als rijen streepjes die opengingen om op een kaasrasp te lijken.

Opgetuigd in een met argon gevulde glazen buis, de papieren elektrode veranderde het gas in een gloeiend plasma. De spanning over de elektrode stuurde vrije elektronen naar de argonatomen, waardoor ze licht uitstralen. Kotov legde uit dat arrays van dergelijke elektroden de pixels van een rekbaar plasmascherm kunnen besturen.

De ingenieurs wilden precies begrijpen hoe ontwerpkeuzes het gedrag van de rekbare geleider beïnvloedden, dus Sharon Glotzer, de Stuart W. Churchill hoogleraar chemische technologie, en haar onderzoeksgroep, computersimulaties uitgevoerd.

"Aanvankelijk, computersimulatie gaf ons intuïtie over wat voor soort gedrag we konden verwachten van verschillende snijpatronen, " zei Pablo Damasceno, die onlangs is gepromoveerd in de toegepaste natuurkunde.

Vervolgens, het simulatieteam onderzocht hoe details zoals de lengte en kromming van de sneden, en de scheiding tussen hen, verband met de rekbaarheid van het materiaal.

Om de microscopisch kleine kirigami te produceren, Terry Shyu, een doctoraatsstudent in materiaalkunde en techniek, speciaal "papier" gemaakt van grafeenoxide, een materiaal dat bestaat uit koolstof en zuurstof van slechts één atoom dik. Ze gelaagde het met een flexibel plastic, tot 30 lagen van elk.

Het moeilijke deel, ze legde uit, maakte de sneden slechts enkele tienden van een millimeter lang.

In de Lurie-nanofabricagefaciliteit, ze bedekte het hightech papier eerst met een materiaal dat met laserlicht kan worden verwijderd. Ze verbrandde de streepjes uit dat materiaal, waardoor het een masker werd voor het etsproces.

Een plasma van zuurstofionen en elektronen brak het "papier" af dat niet onder het masker verborgen was, het creëren van de nette rijen microscopisch kleine streepjes. Dit materiaal gedroeg zich zoals voorspeld door de simulaties, uitrekken zonder extra kosten in geleidbaarheid.