Киригами совершенствует японское искусство оригами, которое включает в себя складывание бумаги для создания трехмерных структурных дизайнов за счет стратегических надрезов на бумаге перед складыванием. Этот метод позволяет художникам более легко создавать сложные трехмерные структуры.
«Мы использовали киригами в наномасштабе для создания сложных трехмерных наноструктур», – сказал Дэниел Лопес, профессор электротехники и компьютерных наук Пенсильванского университета Ляна и руководитель группы, опубликовавшей это исследование в журнале Advanced Materials. «Эти трехмерные структуры сложно изготовить, потому что современные процессы нанопроизводства основаны на технологии, используемой для производства микроэлектроники, в которой используются только плоские или плоские пленки. Без техники киригами сложные трехмерные структуры было бы намного сложнее изготовить или просто невозможно."
Лопес сказал, что если к однородной структурной пленке приложить силу, на самом деле ничего не произойдет, кроме как немного растянуть ее, как это происходит, когда лист бумаги растягивается. Но когда на пленку делаются надрезы и силы прикладываются в определенном направлении, появляется структура, похожая на то, когда художник киригами применяет силу к вырезанной бумаге. Геометрия плоского рисунка разрезов определяет форму трехмерной архитектуры.
«Мы продемонстрировали, что можно использовать обычные плоские методы изготовления для создания различных трехмерных наноструктур из одной и той же двумерной геометрии среза», – сказал Лопес. "Внося минимальные изменения в размеры разрезов в фильме, мы можем кардинально изменить трехмерную форму всплывающих архитектур. Мы продемонстрировали наноразмерные устройства, которые могут наклонять или изменять свою кривизну, просто изменяя ширину надрезов на несколько нанометров."
Эта новая область наноинженерии в стиле киригами позволяет разрабатывать машины и структуры, которые могут меняться от одной формы к другой или трансформироваться в ответ на изменения в окружающей среде. Одним из примеров является электронный компонент, который меняет форму при повышенных температурах, чтобы обеспечить больший поток воздуха внутри устройства, чтобы предотвратить его перегрев.
«Этот метод киригами позволит разработать адаптивную гибкую электронику, которая может быть встроена на поверхности со сложной топографией, например, датчик, установленный на человеческом мозге», – сказал Лопес. «Мы могли бы использовать эти концепции для разработки датчиков и исполнительных механизмов, которые могут изменять форму и конфигурацию для более эффективного выполнения задачи. Представьте себе потенциал структур, которые могут изменять форму при незначительных изменениях температуры, освещения или химических условий."
Лопес сосредоточит свои будущие исследования на применении этих методов киригами к материалам толщиной в один атом и тонким исполнительным элементам, сделанным из пьезоэлектриков. Эти 2D-материалы открывают новые возможности для применения структур, индуцированных киригами.
Лопес сказал, что его цель – работать с другими исследователями из Исследовательского института материалов (MRI) Пенсильванского университета для разработки нового поколения миниатюрных машин, которые имеют атомарно-плоскую форму и более чувствительны к изменениям в окружающей среде.
«МРТ – мировой лидер в синтезе и описании 2D-материалов, которые представляют собой самые тонкие пленки, которые можно использовать для инженерии киригами», – сказал Лопес. «Кроме того, внедряя ультратонкие пьезо- и сегнетоэлектрические материалы в структуры киригами, мы разработаем гибкие и изменяющие форму структуры.
Эти изменяющие форму микромашины были бы очень полезны для приложений в суровых условиях, а также для доставки лекарств и мониторинга состояния здоровья. Я работаю над тем, чтобы сделать Penn State и MRI местом, где мы разрабатываем эти сверхмалые машины для различных приложений."
Среди других авторов исследования – Сюй Чжан из Университета Карнеги-Меллона и Хаоганг Цай из Нью-Йоркского университета, оба бывшие постдокторанты Лопес. Лиор Медина и H. Эспиноза из Северо-Западного университета и Владимир Аскюк из Национального института стандартов и технологий также являются частью команды.
Исследование поддержано U.S. Департамент энергетики.