Macro-kirigami y nano-kirigami. (A) Imágenes de la cámara del proceso de kirigami de papel de una cúpula expandible (correspondiente a un kirigami tradicional chino llamado "flor que tira"). (B) Imágenes SEM de una película de oro de 80 nm de espesor, un patrón de arco concéntrico 2D y un microdomo 3D. El fresado de FIB de alta dosis corresponde al proceso de "corte", y la irradiación global de FIB de baja dosis del área de la muestra (encerrada por la elipse punteada) corresponde al proceso de "pandeo" en nano-kirigami. La dirección de pandeo es hacia abajo a lo largo de la dirección de incidencia del FIB (fig. S1G). En el recuadro se muestra un tamaño de característica 3D de 50 nm. (C a F) Una hélice de 12 palas y (G a J) un molinillo de cuatro brazos formado en un papel macroscópico y una nanofilm de oro, respectivamente. Imágenes SEM de vista superior de los patrones 2D fresados antes (D y H) y después (E e I) de la irradiación global FIB desde la parte superior, respectivamente. (F) y (J) son las vistas laterales de (E) y (I), respectivamente, que están en buena correspondencia con el macro-kirigami en (C) y (G). Las líneas discontinuas en (H) e (I) indican una conexión entre dos esquinas de la estructura central, revelando un ángulo de rotación de ~ 41 ° por nano-kirigami. La fabricación in situ se puede programar en un solo paso. Barras de escala en imágenes SEM, 1 um. Crédito:Liu et al., Sci. Adv . 2018; 4:eaat4436
Nanokirigami ha despegado como campo de investigación en los últimos años; el enfoque se basa en las antiguas artes del origami (hacer formas tridimensionales doblando papel) y kirigami (que permite cortar y doblar) pero aplicado a materiales planos a nanoescala, medido en mil millonésimas de metro.
Ahora, investigadores del MIT y de China han aplicado por primera vez este enfoque a la creación de nanodispositivos para manipular la luz, potencialmente abriendo nuevas posibilidades para la investigación y, por último, la creación de nuevas comunicaciones basadas en la luz, detección, o dispositivos computacionales.
Los hallazgos se describen hoy en la revista. Avances de la ciencia , en un artículo del profesor de ingeniería mecánica del MIT, Nicholas X Fang y otros cinco. Utilizando métodos basados en la tecnología estándar de fabricación de microchips, Fang y su equipo utilizaron un haz de iones enfocado para hacer un patrón preciso de rendijas en una lámina de metal de solo unas pocas decenas de nanómetros de espesor. El proceso hace que la lámina se doble y se retuerza en una forma tridimensional compleja capaz de filtrar selectivamente la luz con una polarización particular.
Los intentos anteriores de crear dispositivos kirigami funcionales han utilizado métodos de fabricación más complicados que requieren una serie de pasos de plegado y se han dirigido principalmente a funciones mecánicas en lugar de ópticas. Dice Fang. Los nuevos nanodispositivos, por el contrario, se puede formar en un solo paso de plegado y se podría utilizar para realizar varias funciones ópticas diferentes.
Para estos dispositivos iniciales de prueba de concepto, el equipo produjo un equivalente nanomecánico de filtros dicroicos especializados que pueden filtrar la luz polarizada circularmente que es "diestra" o "zurda". Para hacerlo crearon un patrón de unos pocos cientos de nanómetros de ancho en la delgada lámina de metal; el resultado se asemeja a las palas de un molinillo, con un giro en una dirección que selecciona el correspondiente giro de luz.
La torsión y flexión de la lámina se produce debido a las tensiones introducidas por el mismo haz de iones que corta el metal. Cuando se utilizan haces de iones con dosis bajas, se crean muchas vacantes, y algunos de los iones acaban alojados en la rejilla cristalina del metal, empujando la celosía fuera de forma y creando fuertes tensiones que inducen la flexión.
"Cortamos el material con un haz de iones en lugar de tijeras, escribiendo el haz de iones enfocado a través de esta hoja de metal con un patrón prescrito, "Dice Fang." Así que terminas con esta cinta de metal que se está arrugando "en el patrón planeado con precisión.
"Es una conexión muy agradable de los dos campos, mecánica y óptica, "Dice Fang. El equipo utilizó patrones helicoidales para separar las porciones polarizadas en sentido horario y antihorario de un haz de luz, que puede representar "una nueva dirección" para la investigación nanokirigami, él dice.
La técnica es lo suficientemente sencilla como para que, con las ecuaciones que desarrolló el equipo, Los investigadores ahora deberían poder calcular hacia atrás a partir de un conjunto deseado de características ópticas y producir el patrón necesario de hendiduras y pliegues para producir precisamente ese efecto. Dice Fang.
"Permite una predicción basada en funcionalidades ópticas" para crear patrones que logren el resultado deseado, él añade. "Previamente, la gente siempre estaba tratando de cortar por intuición "para crear patrones de kirigami para un resultado deseado en particular.
La investigación aún se encuentra en una etapa inicial, Fang señala, por lo que se necesitará más investigación sobre posibles aplicaciones. Pero estos dispositivos son órdenes de magnitud más pequeños que sus homólogos convencionales que realizan las mismas funciones ópticas, por lo que estos avances podrían conducir a chips ópticos más complejos para la detección, cálculo, o sistemas de comunicaciones o dispositivos biomédicos, dice el equipo.
Por ejemplo, Fang dice:Los dispositivos para medir los niveles de glucosa a menudo utilizan medidas de polaridad de la luz, porque existen moléculas de glucosa en formas tanto para diestros como para zurdos que interactúan de manera diferente con la luz. "Cuando pasas luz a través de la solución, puedes ver la concentración de una versión de la molécula, a diferencia de la mezcla de ambos, "Fang explica, y este método podría permitir mucho más pequeño, detectores más eficientes.
La polarización circular también es un método utilizado para permitir que múltiples rayos láser viajen a través de un cable de fibra óptica sin interferir entre sí. "La gente ha estado buscando un sistema de este tipo para sistemas de comunicaciones ópticas con láser" para separar los haces en dispositivos llamados aisladores ópticos, Dice Fang. "Hemos demostrado que es posible fabricarlos en tamaños nanométricos".
El equipo también incluyó al estudiante graduado del MIT Huifeng Du; Zhiguang Liu, Jiafang Li (supervisor del proyecto), y Ling Lu en la Academia China de Ciencias en Beijing; y Zhi-Yuan Li de la Universidad de Tecnología del Sur de China. El trabajo fue apoyado por el Programa Nacional de I + D clave de China, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU.
