Konsten att skära papper kan skära igenom en vägspärr på vägen till flexibel, töjbar elektronik, ett team av ingenjörer och en konstnär vid University of Michigan har hittat.

I framtiden, en liten böjning i din smartphone kan betraktas som en funktion snarare än en defekt. En viktig komponent i framtidens elektronik som kan rullas ihop, vikt eller inbäddad i flexibla föremål är den töjbara ledaren, som skulle utgöra komponenter som ledningar och elektroder.

Ledare som sträcker sig är svåra att designa, och bland dem som är kända, antingen expanderar de inte så mycket eller så blir ledningsförmågan ett dyk när de gör det. Genom att utveckla en dirigent inspirerad av kirigami, den japanska konsten att skära papper, ledningsförmåga offras i förväg. Skärningarna blir barriärer för elektrisk ledningsförmåga, men när den sträcks, dirigenterna är stabila artister.

"Kirigami-metoden tillåter oss att designa de ledande arkens deformerbarhet, medan det innan var en väldigt Edison-process med många missar och inte många träffar, sade Nicholas Kotov, Joseph B. och Florence V. Cejka professor i teknik, hänvisar till Thomas Edisons trial-and-error-inställning till uppfinning.

Detta beror på att när material sträcks till max, det är svårt att förutsäga när och var rips kommer att inträffa. Dock, om tårarna är utformade på ett genomtänkt sätt, materialets förmåga att sträcka och återhämta sig blir tillförlitlig.

Det låter enkelt, men tills konst och ingenjörskonst kom tillsammans med detta projekt, ingen hade rapporterat att de använde kirigami för att tackla utmaningen med töjbara ledare. Resultaten presenteras i den senaste upplagan av Naturmaterial .

Matt Shlian, konstnär och föreläsare vid U-M Frimärksskolan för konst och design, inspirerade arbetet med ett pappersark klippt för att sträcka sig till ett fiskbensnät när det sträcks ut.

Den första prototypen av den töjbara kirigami-ledaren var spårpapper täckt av kolnanorör. Upplägget var väldigt enkelt, med snitt som rader av streck som öppnades för att likna ett rivjärn.

Riggad upp i ett argonfyllt glasrör, papperselektroden förvandlade gasen till en glödande plasma. Spänningen över elektroden skickade fria elektroner in i argonatomerna, får dem att avge ljus. Kotov förklarade att arrayer av sådana elektroder kunde styra pixlarna på en töjbar plasmaskärm.

Ingenjörerna ville förstå exakt hur designvalen påverkade beteendet hos den töjbara ledaren, så Sharon Glotzer, Stuart W. Churchill professor i kemiteknik, och hennes forskargrupp, gjort datorsimuleringar.

"I början, datorsimulering gav oss intuition om vilka typer av beteenden som kunde förväntas från olika skärmönster, sa Pablo Damasceno, som nyligen tog sin doktorsexamen i tillämpad fysik.

Sedan, simuleringsteamet utforskade hur detaljer som längden och krökningen av snitten, och separationen mellan dem, relaterat till materialets töjbarhet.

För att producera den mikroskopiska kirigami, Terry Shyu, doktorand i materialvetenskap och teknik, gjort speciellt "papper" av grafenoxid, ett material som består av kol och syre bara en atom tjockt. Hon skiktade den med en flexibel plast, upp till 30 lager av varje.

Den svåra delen, hon förklarade, gjorde snitten bara några tiondels millimeter långa.

I Lurie Nanofabrication Facility, först bestrykte hon det högteknologiska papperet med ett material som kan tas bort med laserljus. Hon brände strecken ur det materialet, vilket gjorde det till en mask för etsningsprocessen.

En plasma av syrejoner och elektroner bröt ner "papperet" som inte var gömt under masken, skapar de snygga raderna av mikroskopiska streck. Detta material uppförde sig som förutspått av simuleringarna, sträckning utan extra kostnad i ledningsförmåga.