Fabricage in Kirigami-stijl kan nieuwe 3D-nanostructuren mogelijk maken

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

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

“We gebruikten kirigami op nanoschaal om complexe 3D-nanostructuren te creëren”, zegt Daniel Lopez, hoogleraar Elektrotechniek en Computerwetenschappen aan Penn State Liang 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 platte films gebruikt. Zonder kirigami-technieken zouden complexe driedimensionale structuren veel gecompliceerder zijn om te fabriceren of gewoonweg onmogelijk. maken.”

Lopez zei dat als er kracht wordt uitgeoefend op een uniforme structurele film, er eigenlijk niets anders gebeurt dan het een beetje uitrekken, zoals wat er gebeurt wanneer een stuk papier wordt uitgerekt. Maar wanneer er sneden in de film worden aangebracht en er krachten in een bepaalde richting worden uitgeoefend, komt er een structuur tevoorschijn, 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 creëren op basis van dezelfde 2D-snijgeometrie,” zei Lopez. “Door minimale wijzigingen aan te brengen in de afmetingen van de sneden in de film, kunnen we de driedimensionale vorm van de pop-uparchitecturen drastisch veranderen. We demonstreerden apparaten op nanoschaal die kunnen kantelen of hun kromming kunnen veranderen door de breedte van de sneden te veranderen. een paar nanometer. ”

Dit nieuwe veld van nanoengineering in kirigami-stijl maakt de ontwikkeling mogelijk van machines en structuren die van de ene vorm in de andere kunnen veranderen, of morphing, als reactie op veranderingen in de omgeving. Een voorbeeld is een elektronische component die bij hoge temperaturen van vorm verandert om meer lucht binnen een apparaat te laten stromen om oververhitting te voorkomen.

“Deze kirigami-techniek maakt de ontwikkeling mogelijk van adaptieve flexibele elektronica die kan worden geïntegreerd op oppervlakken met een 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 die één atoom dik zijn, en op dunne actuatoren gemaakt van piëzo-elektrische systemen. Deze 2D-materialen openen nieuwe mogelijkheden voor toepassingen van door kirigami geïnduceerde structuren. Lopez zei dat het zijn doel is om met andere onderzoekers van Penn State’s Materials Research Institute (MRI) samen te werken om een ​​nieuwe generatie miniatuurmachines te ontwikkelen die atomair plat zijn en beter reageren op veranderingen in de omgeving.

“MRI is een wereldleider in de synthese en karakterisering van 2D-materialen, de ultieme dunne films die kunnen worden gebruikt voor kirigami-engineering”, zei Lopez. “Bovendien zullen we, door ultradunne piëzo- en ferro-elektrische materialen op kirigami-structuren op te nemen, flexibele en vormvervormende structuren ontwikkelen. Deze vormvervormende 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 plaats te maken waar we deze superkleine machines ontwikkelen voor een specifieke verscheidenheid aan toepassingen. ”