Nanokirigami heeft de afgelopen jaren een grote vlucht genomen als onderzoeksgebied; de benadering is gebaseerd op de oude kunsten van origami (het maken van 3D-vormen door papier te vouwen) en kirigami (waarmee zowel knippen als vouwen mogelijk is), maar toegepast op platte materialen op nanoschaal, gemeten in miljardsten van een meter.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en in China hebben deze benadering voor het eerst toegepast op het creëren van nanodevices om licht te manipuleren, mogelijk nieuwe mogelijkheden voor onderzoek openen en, uiteindelijk, het creëren van nieuwe op licht gebaseerde communicatie, detectie, of rekenapparatuur.

De bevindingen worden vandaag beschreven in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , in een paper van MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde Nicholas X Fang en vijf anderen. Met behulp van methoden die zijn gebaseerd op standaard microchipproductietechnologie, Fang en zijn team gebruikten een gefocusseerde ionenstraal om een ​​nauwkeurig patroon van spleten te maken in een metaalfolie van slechts enkele tientallen nanometers dik. Het proces zorgt ervoor dat de folie zichzelf buigt en verdraait in een complexe driedimensionale vorm die in staat is om selectief licht met een bepaalde polarisatie uit te filteren.

Eerdere pogingen om functionele kirigami-apparaten te maken, hebben meer gecompliceerde fabricagemethoden gebruikt die een reeks vouwstappen vereisen en waren voornamelijk gericht op mechanische in plaats van optische functies, zegt Fan. De nieuwe nano-apparaten, daarentegen, kan worden gevormd in een enkele vouwstap en kan worden gebruikt om een ​​aantal verschillende optische functies uit te voeren.

Voor deze eerste proof-of-concept-apparaten, het team produceerde een nanomechanisch equivalent van gespecialiseerde dichroïsche filters die circulair gepolariseerd licht kunnen filteren dat "rechtshandig" of "linkshandig" is. Om dit te doen, ze creëerden een patroon van slechts een paar honderd nanometer in de dunne metaalfolie; het resultaat lijkt op pinwheel-bladen, met een draai in één richting die de corresponderende draai van licht selecteert.

Het draaien en buigen van de folie gebeurt vanwege spanningen die worden geïntroduceerd door dezelfde ionenstraal die door het metaal snijdt. Bij gebruik van ionenbundels met lage doseringen, er ontstaan ​​veel vacatures, en sommige ionen komen vast te zitten in het kristalrooster van het metaal, het rooster uit vorm duwen en sterke spanningen creëren die het buigen veroorzaken.

"We snijden het materiaal met een ionenstraal in plaats van een schaar, door de gefocusseerde ionenstraal over deze metalen plaat te schrijven met een voorgeschreven patroon, "zegt Fang. "Dus je eindigt met dit metalen lint dat kreukt" in het precies geplande patroon.

"Het is een heel mooie verbinding van de twee velden, mechanica en optica, ", zegt Fang. Het team gebruikte spiraalvormige patronen om de met de klok mee en tegen de klok in gepolariseerde delen van een lichtstraal te scheiden, die "een geheel nieuwe richting" voor nanokirigami-onderzoek kan vertegenwoordigen, hij zegt.

De techniek is zo eenvoudig dat met de vergelijkingen die het team ontwikkelde, onderzoekers zouden nu in staat moeten zijn om achterwaarts te berekenen op basis van een gewenste set optische kenmerken en het benodigde patroon van spleten en vouwen te produceren om precies dat effect te produceren, zegt Fan.

"Het maakt een voorspelling op basis van optische functionaliteiten mogelijk" om patronen te creëren die het gewenste resultaat bereiken, hij voegt toe. "Eerder, mensen probeerden altijd op intuïtie te snijden" om kirigami-patronen te creëren voor een bepaald gewenst resultaat.

Het onderzoek bevindt zich nog in een pril stadium, Fang wijst erop, dus er zal meer onderzoek nodig zijn naar mogelijke toepassingen. Maar deze apparaten zijn orden van grootte kleiner dan conventionele tegenhangers die dezelfde optische functies uitvoeren, dus deze vooruitgang zou kunnen leiden tot complexere optische chips voor detectie, berekening, of communicatiesystemen of biomedische apparaten, zegt het team.

Bijvoorbeeld, Fang zegt, apparaten om glucosespiegels te meten gebruiken vaak metingen van lichtpolariteit, omdat glucosemoleculen bestaan ​​in zowel rechts- als linkshandige vormen die verschillend omgaan met licht. "Als je licht door de oplossing laat gaan, je kunt de concentratie van één versie van het molecuul zien, in tegenstelling tot de combinatie van beide, "Fang legt uit, en deze methode zou veel kleinere, efficiëntere detectoren.

Circulaire polarisatie is ook een methode die wordt gebruikt om meerdere laserstralen door een glasvezelkabel te laten reizen zonder elkaar te storen. "Mensen zijn op zoek geweest naar een dergelijk systeem voor optische lasercommunicatiesystemen" om de stralen te scheiden in apparaten die optische isolatoren worden genoemd, zegt Fan. "We hebben laten zien dat het mogelijk is om ze in nanometergroottes te maken."

Het team omvatte ook MIT-afgestudeerde student Huifeng Du; Zhiguang Liu, Jiafang Li (projectbegeleider), en Ling Lu aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking; en Zhi-Yuan Li aan de South China University of Technology. Het werk werd ondersteund door het National Key R&D-programma van China, de National Natural Science Foundation van China, en het US Air Force Office of Scientific Research.