Pappers snöflingor, popup-barnböcker och utarbetade papperskort är intressanta för mer än bara hantverkare. Ett team av Northwestern University-ingenjörer använder idéer hämtade från pappersvikningsmetoder för att skapa ett sofistikerat alternativ till 3D-utskrift.

Kirigami kommer från de japanska orden "kiru" (att skära) och "kami" (papper) och är en traditionell konstform där papper exakt skärs och omvandlas till ett 3D-objekt. Använda tunna filmer av material och programvara för att välja exakta geometriska snitt, ingenjörer kan skapa ett brett utbud av komplexa strukturer genom att hämta inspiration från praktiken.

Forskning, publicerades 2015, visade lovande i kirigami "pop-up" tillverkningsmodell. I denna iteration, de bandliknande strukturerna som skapades av snitten var öppna former, med begränsad förmåga att uppnå slutna former. Annan forskning som bygger på samma inspiration visar främst att kirigami kan tillämpas i makroskala med enkla material som papper.

Men ny forskning publicerad idag (22 december) i tidskriften Avancerade material för processen ett steg längre.

Horacio Espinosa, en maskinteknikprofessor vid McCormick School of Engineering, sa att hans team kunde tillämpa koncept av design och kirigami på nanostrukturer. Espinosa ledde forskningen och är James N. och Nancy J. Farley professor i tillverkning och entreprenörskap.

"Genom att kombinera nanotillverkning, in situ mikroskopi experiment, och beräkningsmodellering, vi reda ut det rika beteendet hos kirigami-strukturer och identifierade villkor för deras användning i praktiska tillämpningar, sa Espinosa.

Forskarna börjar med att skapa 2D-strukturer med hjälp av state-of-the-art metoder inom halvledartillverkning och noggrant placerade "kirigami-snitt" på ultratunna filmer. Strukturella instabiliteter inducerade av kvarvarande spänningar i filmerna skapar sedan väldefinierade 3D-strukturer. De konstruerade kirigami-strukturerna skulle kunna användas i ett antal tillämpningar, allt från mikroskaliga gripare (t.ex. cellplockning) till rumsliga ljusmodulatorer till flödeskontroll i flygplansvingar. Dessa förmågor positionerar tekniken för potentiella tillämpningar i biomedicinsk utrustning, energiskörd, och flyg.

Vanligtvis, det har funnits en gräns för antalet former som kan skapas av ett enda kirigami-motiv. Men genom att använda variationer i snitten, teamet kunde demonstrera filmböjning och vridning som resulterar i en större mängd olika former – inklusive både symmetriska och asymmetriska konfigurationer. Forskarna visade för första gången att strukturer i mikroskala, med filmtjocklekar på några tiotals nanometer, kan uppnå ovanliga 3D-former och presentera bredare funktionalitet.

Till exempel, elektrostatisk pincett snäpper nära, som kan vara hård mot mjuka prover. Däremot Kirigami-baserad pincett kan konstrueras för att exakt kontrollera gripkraften genom att justera mängden stretching. I denna och andra applikationer, förmågan att designa skärplatser och förutsäga strukturellt beteende baserat på datorsimuleringar tar ut försök och fel, spara pengar och tid i processen.

Allt eftersom deras forskning går framåt, Espinosa säger att hans team planerar att utforska det stora utrymmet av kirigami-designer, inklusive arraykonfigurationer, för att uppnå ett större antal möjliga funktioner. Ett annat område för framtida forskning är inbäddningen av distribuerade ställdon för kirigami-utbyggnad och kontroll. Genom att titta närmare på tekniken, teamet tror att kirigami kan ha implikationer i arkitekturen, flyg- och miljöteknik.