En ny teknik som efterliknar den antika japanska konsten kirigami kan erbjuda ett enklare sätt att tillverka komplexa 3D-nanostrukturer för användning inom elektronik, tillverkning och hälsovård.

Kirigami förstärker den japanska konstformen origami, som innebär att vika papper för att skapa 3D-konstruktioner, genom att strategiskt införliva snitt på papperet före vikning. Metoden gör det lättare för konstnärer att skapa sofistikerade tredimensionella strukturer.

"Vi använde kirigami i nanoskala för att skapa komplexa 3D-nanostrukturer, sa Daniel Lopez, Penn State Liang professor i elektroteknik och datavetenskap, och ledare för teamet som publicerade denna forskning i Avancerade material . "Dessa 3D-strukturer är svåra att tillverka eftersom nuvarande nanotillverkningsprocesser är baserade på den teknik som används för att tillverka mikroelektronik som bara använder plana, eller platt, filmer. Utan kirigami-tekniker, komplexa tredimensionella strukturer skulle vara mycket mer komplicerade att tillverka eller helt enkelt omöjliga att göra."

Lopez sa att om kraft appliceras på en enhetlig strukturell film, inget händer egentligen mer än att sträcka ut det lite, som vad som händer när ett papper sträcks ut. Men när skärningar introduceras till filmen, och krafter appliceras i en viss riktning, en struktur dyker upp, liknande när en kirigami-konstnär använder kraft på ett klippt papper. Geometrin hos det plana mönstret av snitt bestämmer formen på 3D-arkitekturen.

"Vi visade att det är möjligt att använda konventionella plana tillverkningsmetoder för att skapa olika 3D-nanostrukturer från samma 2D-snittgeometri, ", sa Lopez. "Genom att införa minimala ändringar av dimensionerna på snitten i filmen, vi kan drastiskt ändra den tredimensionella formen på popup-arkitekturerna. Vi visade enheter i nanoskala som kan luta eller ändra sin krökning bara genom att ändra bredden på snitten några nanometer."

Detta nya fält av kirigami-stil nanoteknik möjliggör utveckling av maskiner och strukturer som kan ändras från en form till en annan, eller morph, som svar på förändringar i miljön. Ett exempel är en elektronisk komponent som ändrar form vid förhöjda temperaturer för att möjliggöra mer luftflöde i en enhet för att förhindra att den överhettas.

"Denna kirigami-teknik kommer att möjliggöra utvecklingen av adaptiv flexibel elektronik som kan införlivas på ytor med komplicerad topografi, som en sensor som vilar på den mänskliga hjärnan, ", sa Lopez. "Vi skulle kunna använda dessa koncept för att designa sensorer och ställdon som kan ändra form och konfiguration för att utföra en uppgift mer effektivt. Föreställ dig potentialen hos strukturer som kan ändra form med små förändringar i temperatur, belysning eller kemiska förhållanden."

Lopez kommer att fokusera sin framtida forskning på att tillämpa dessa kirigami-tekniker på material som är en atoms tjocka, och tunna ställdon gjorda av piezoelektrik. Dessa 2D-material öppnar nya möjligheter för tillämpningar av kirigami-inducerade strukturer. Lopez sa att hans mål är att arbeta med andra forskare vid Penn State's Materials Research Institute (MRI) för att utveckla en ny generation av miniatyrmaskiner som är atomärt platta och är mer känsliga för förändringar i miljön.

"MRI är världsledande inom syntes och karakterisering av 2D-material, som är de ultimata tunnfilmerna som kan användas för kirigami-teknik, " sade Lopez. "Dessutom, genom att införliva ultratunna piezo- och ferroelektriska material på kirigami-strukturer, vi kommer att utveckla smidiga och formformande strukturer. Dessa formformande mikromaskiner skulle vara mycket användbara för tillämpningar i tuffa miljöer och för läkemedelstillförsel och hälsoövervakning. Jag jobbar på att göra Penn State och MRI till platsen där vi utvecklar dessa supersmå maskiner för en specifik mängd olika applikationer."