De kunst van kirigami omvat het snijden van papier in ingewikkelde ontwerpen, als sneeuwvlokken. Cornell-natuurkundigen zijn kirigami-artiesten, te, maar hun papier is slechts een atoom dik, en zou een van de kleinste machines kunnen worden die de wereld ooit heeft gekend.

Een onderzoekssamenwerking onder leiding van Paul McEuen, de John A. Newman Professor of Physical Science en directeur van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science (KIC), brengt kirigami naar de nanoschaal. Hun sjabloon is grafeen, enkele atoomdikke vellen hexagonaal gebonden koolstof, beroemd om zijn ultradunne, ultrasterk en een perfecte elektronengeleider. In het journaal Natuur 29 juli ze demonstreren de toepassing van kirigami op vellen grafeen van 10 micron (een mensenhaar is ongeveer 70 micron dik), die ze kunnen snijden, vouw, draai en buig, net als papier.

Grafeen en andere dunne materialen zijn extreem plakkerig op die schaal, dus gebruikten de onderzoekers een oude truc om het manipuleren te vergemakkelijken:ze hingen het in water en voegden oppervlakteactieve stoffen toe om het glad te maken, zoals zeepsop. Ze maakten ook gouden "handvatten" zodat ze de uiteinden van de grafeenvormen konden pakken. Co-auteur Arthur Barnard, ook een Cornell-student natuurkunde, bedacht hoe het grafeen op deze manier te manipuleren.

De eerste auteur van de studie, Melina Blees, een voormalige afgestudeerde natuurkundestudent en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Chicago, zei dat ze een "enthousiast welkom" kreeg van het Department of Art, waar de onderzoekers tijd doorbrachten in de bibliotheek om ontwerpen van papier en stof te bestuderen en manieren te bedenken om ze naar grafeen te vertalen.

Ze leenden een lasersnijder van het College of Architecture, Kunst- en planningswinkel, het maken van papieren modellen van hun ontwerpen, voordat ze naar de Cornell NanoScale Science and Technology Facility gaan om ze uit grafeen te fabriceren.

"Het was echt een echte verkenning, dingen uit papier knippen en ermee spelen, proberen zich voor te stellen hoe een 'hangende kirigami-mobiel voor kinderen' een veer op nanoschaal zou kunnen worden voor het meten van krachten of interactie met cellen, ' zei Blees.

Met één vel grafeen, bijvoorbeeld, ze maakten een zachte lente, die net werkt als een zeer flexibele transistor. De krachten die nodig zijn om zo'n veer te buigen zouden vergelijkbaar zijn met de krachten die een motoreiwit zou kunnen uitoefenen, zei McEuen. Het rijk van biologische krachten betreden, de experimenten openen een nieuwe speelplaats van ideeën voor flexibele, apparaten op nanoschaal die voor detectie rond menselijke cellen of in de hersenen kunnen worden geplaatst.

De onderzoekers toonden ook aan hoe goed grafeen buigt in een eenvoudig scharnierontwerp, het kwantificeren van de benodigde krachten. Het openen en sluiten van het scharnier 10, 000 keer, ze ontdekten dat het perfect intact en elastisch blijft - een potentieel bruikbare kwaliteit voor opvouwbare machines en apparaten op die schaal.

Voortbouwend op de principes uit het papier, een gerelateerd onderzoeksteam bij Cornell heeft zojuist financiering van het Ministerie van Defensie ontvangen om technologieën te blijven ontwikkelen rond flexibele materialen zoals grafeen, met behulp van enkele van de gedemonstreerde kirigami-principes.

Het werk, waaronder ook David Muller, hoogleraar toegepaste en technische fysica en mededirecteur van KIC, werd ondersteund door het Cornell Center for Materials Research, die wordt gefinancierd door de National Science Foundation; het Bureau voor Naval Research; en het Kavli Institute in Cornell voor Nanoscale Science.