Konsten att kirigami innebär att skära papper i intrikata mönster, som snöflingor. Cornell-fysiker är kirigami-konstnärer, för, men deras papper är bara en atomtjock, och kan bli några av de minsta maskiner som världen någonsin har känt.

Ett forskningssamarbete ledd av Paul McEuen, John A. Newman professor i fysikalisk vetenskap och chef för Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science (KIC), tar kirigami ner till nanoskalan. Deras mall är grafen, enstaka atomtjocka ark av hexagonalt bundet kol, känd för att vara ultratunn, ultra stark och en perfekt elektronledare. I journalen Natur 29 juli, de visar appliceringen av kirigami på 10 mikron ark av grafen (ett människohår är cirka 70 mikron tjockt), som de kan skära, vika ihop, vrid och böj, precis som papper.

Grafen och andra tunna material är extremt klibbiga i den skalan, så forskarna använde ett gammalt knep för att göra det lättare att manipulera:de suspenderade det i vatten och tillsatte ytaktiva ämnen för att göra det halt, som tvålvatten. De gjorde också "handtag" av guldflikar så att de kunde ta tag i ändarna på grafenformerna. Medförfattare Arthur Barnard, också en Cornell fysikstudent, kom på hur man manipulerar grafenen på detta sätt.

Studiens första författare, Melina Blees, en före detta doktorand i fysik och nu postdoktor vid University of Chicago, sa att hon fick ett "entusiastiskt välkomnande" från Institutionen för konst, där forskarna tillbringade tid i biblioteket och studerade pappers- och tygdesign och funderade på sätt att översätta dem till grafen.

De lånade en laserskärare från Architecture College, Konst och planering butik, skapa pappersmodeller av sina mönster, innan du vandrar över till Cornell NanoScale Science and Technology Facility för att tillverka dem av grafen.

"Det var verkligen sant utforskning, skära saker ur papper och leka med dem, försöker föreställa sig hur en "hängande kirigami-mobil för barn" skulle kunna bli en fjäder i nanoskala för att mäta krafter eller interagera med celler, " sa Blees.

Med ett ark grafen, till exempel, de gjorde en mjuk fjäder, som fungerar precis som en väldigt flexibel transistor. De krafter som behövs för att böja en sådan fjäder skulle vara jämförbara med krafter som ett motorprotein kan utöva, sa McEuen. Gå in i de biologiska krafternas rike, experimenten öppnar upp en ny lekplats av idéer för flexibla, enheter i nanoskala som kan placeras runt mänskliga celler eller i hjärnan för avkänning.

Forskarna visade också hur väl grafen böjer sig i en enkel gångjärnsdesign, kvantifiera de krafter som behövs. Öppna och stänga gångjärnet 10, 000 gånger, de fann att den förblir perfekt intakt och elastisk – en potentiellt användbar kvalitet för hopfällbara maskiner och enheter i den skalan.

Bygger på principerna från tidningen, ett relaterat forskarlag vid Cornell har precis fått finansiering från försvarsdepartementet för att fortsätta utveckla teknologier kring flexibla material som grafen, med några av de visade kirigami-principerna.

Arbetet, som även inkluderade David Muller, professor i tillämpad och teknisk fysik och meddirektör för KIC, fick stöd av Cornell Center for Materials Research, som finansieras av National Science Foundation; Office of Naval Research; och Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science.