Een nieuwe techniek die de oude Japanse kunst van kirigami nabootst, kan een eenvoudigere manier bieden om complexe 3D-nanostructuren te fabriceren voor gebruik in elektronica, productie en gezondheidszorg.

Kirigami verbetert de Japanse kunstvorm origami, waarbij papier wordt gevouwen om structurele 3D-ontwerpen te maken, door strategisch insnijdingen in het papier op te nemen voorafgaand aan het vouwen. De methode stelt kunstenaars in staat om gemakkelijker geavanceerde driedimensionale structuren te creëren.

"We gebruikten kirigami op nanoschaal om complexe 3D-nanostructuren te maken, " zei Daniël Lopez, Penn State Liang hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen, en leider van het team dat dit onderzoek publiceerde in Geavanceerde materialen . "Deze 3D-structuren zijn moeilijk te fabriceren omdat de huidige nanofabricageprocessen zijn gebaseerd op de technologie die wordt gebruikt om micro-elektronica te fabriceren die alleen vlakke, of plat, films. Zonder kirigami-technieken, complexe driedimensionale structuren zouden veel ingewikkelder zijn om te fabriceren of simpelweg onmogelijk te maken."

Lopez zei dat als er kracht wordt uitgeoefend op een uniforme structurele film, er gebeurt eigenlijk niets anders dan het een beetje uitrekken, zoals wat er gebeurt als een stuk papier wordt uitgerekt. Maar wanneer bezuinigingen in de film worden geïntroduceerd, en krachten worden in een bepaalde richting uitgeoefend, er ontstaat een structuur, vergelijkbaar met wanneer een kirigami-artiest kracht uitoefent op een gesneden papier. De geometrie van het vlakke patroon van sneden bepaalt de vorm van de 3D-architectuur.

"We hebben aangetoond dat het mogelijk is om conventionele planaire fabricagemethoden te gebruiken om verschillende 3D-nanostructuren te maken van dezelfde 2D-snijgeometrie, "Zei Lopez. "Door minimale wijzigingen aan te brengen in de afmetingen van de sneden in de film, we kunnen de driedimensionale vorm van de pop-uparchitecturen drastisch veranderen. We hebben apparaten op nanoschaal gedemonstreerd die hun kromming kunnen kantelen of veranderen door de breedte van de sneden een paar nanometer te veranderen."

Dit nieuwe gebied van nano-engineering in kirigami-stijl maakt de ontwikkeling mogelijk van machines en structuren die van de ene vorm in de andere kunnen veranderen, of morph, als reactie op veranderingen in de omgeving. Een voorbeeld is een elektronisch onderdeel dat bij hoge temperaturen van vorm verandert om meer luchtstroom in een apparaat mogelijk te maken om te voorkomen dat het oververhit raakt.

"Deze kirigami-techniek zal de ontwikkeling mogelijk maken van adaptieve flexibele elektronica die kan worden opgenomen op oppervlakken met gecompliceerde topografie, zoals een sensor die op het menselijk brein rust, " zei Lopez. "We zouden deze concepten kunnen gebruiken om sensoren en actuatoren te ontwerpen die van vorm en configuratie kunnen veranderen om een ​​taak efficiënter uit te voeren. Stel je het potentieel voor van structuren die van vorm kunnen veranderen met minuscule veranderingen in temperatuur, verlichting of chemische omstandigheden."

Lopez zal zijn toekomstig onderzoek richten op het toepassen van deze kirigami-technieken op materialen met een dikte van één atoom, en dunne aandrijvingen gemaakt van piëzo-elektrisch materiaal. Deze 2D-materialen openen nieuwe mogelijkheden voor toepassingen van door kirigami geïnduceerde structuren. Lopez zei dat het zijn doel is om samen met andere onderzoekers van het Materials Research Institute (MRI) van Penn State een nieuwe generatie miniatuurmachines te ontwikkelen die atomair vlak zijn en beter reageren op veranderingen in de omgeving.

"MRI is een wereldleider in de synthese en karakterisering van 2D-materialen, welke de ultieme dunne films zijn die kunnen worden gebruikt voor kirigami-engineering, "zei Lopez. "Bovendien, door ultradunne piëzo- en ferro-elektrische materialen op te nemen in kirigami-structuren, we zullen agile en vormveranderende structuren ontwikkelen. Deze vormveranderende micromachines zouden zeer nuttig zijn voor toepassingen in ruwe omgevingen en voor medicijnafgifte en gezondheidsmonitoring. Ik werk eraan om van Penn State en MRI de plek te maken waar we deze superkleine machines ontwikkelen voor een specifieke verscheidenheid aan toepassingen."