Copos de nieve de papel, Los libros infantiles desplegables y las elaboradas tarjetas de papel son de interés para algo más que los artesanos. Un equipo de ingenieros de la Northwestern University está utilizando ideas tomadas de las prácticas de plegado de papel para crear una alternativa sofisticada a la impresión 3D.

Kirigami proviene de las palabras japonesas "kiru" (cortar) y "kami" (papel) y es una forma de arte tradicional en la que el papel se corta con precisión y se transforma en un objeto tridimensional. Usando películas delgadas de material y software para seleccionar cortes geométricos exactos, Los ingenieros pueden crear una amplia gama de estructuras complejas inspirándose en la práctica.

Investigar, publicado en 2015, se mostró prometedor en el modelo de fabricación "emergente" de kirigami. En esta iteración, las estructuras en forma de cinta creadas por los cortes eran formas abiertas, con capacidad limitada para lograr formas cerradas. Otra investigación basada en la misma inspiración demuestra principalmente que el kirigami se puede aplicar a macroescala con materiales simples como el papel.

Pero una nueva investigación publicada hoy (22 de diciembre) en la revista Materiales avanzados avanza el proceso un paso más.

Horacio Espinosa, un profesor de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería McCormick, dijo que su equipo pudo aplicar conceptos de diseño y kirigami a nanoestructuras. Espinosa dirigió la investigación y es profesora James N. y Nancy J. Farley de Fabricación y Emprendimiento.

"Al combinar la nanofabricación, experimentación de microscopía in situ, y modelado computacional, desentrañamos el rico comportamiento de las estructuras kirigami e identificamos las condiciones para su uso en aplicaciones prácticas, "Dijo Espinosa.

Los investigadores comienzan por crear estructuras 2-D utilizando métodos de vanguardia en la fabricación de semiconductores y "cortes kirigami" cuidadosamente colocados en películas ultrafinas. Las inestabilidades estructurales inducidas por tensiones residuales en las películas crean estructuras tridimensionales bien definidas. Las estructuras de kirigami diseñadas podrían emplearse en una serie de aplicaciones que van desde pinzas a microescala (por ejemplo, recogida de células) hasta moduladores de luz espacial y control de flujo en las alas de los aviones. Estas capacidades posicionan la técnica para posibles aplicaciones en dispositivos biomédicos, recolección de energía, y aeroespacial.

Típicamente, ha habido un límite en el número de formas que se pueden crear con un solo motivo kirigami. Pero al usar variaciones en los cortes, el equipo pudo demostrar la flexión y torsión de la película que dan como resultado una variedad más amplia de formas, incluidas configuraciones simétricas y asimétricas. Los investigadores demostraron por primera vez que las estructuras a microescalas, utilizando espesores de película de unas pocas decenas de nanómetros, puede lograr formas tridimensionales inusuales y presentar una funcionalidad más amplia.

Por ejemplo, las micropinzas electrostáticas se cierran a presión, que puede ser duro en muestras blandas. Por el contrario, Las pinzas basadas en kirigami pueden diseñarse para controlar con precisión la fuerza de agarre ajustando la cantidad de estiramiento. En esta y otras aplicaciones, la capacidad de diseñar ubicaciones de corte y predecir el comportamiento estructural basado en simulaciones por computadora elimina la prueba y el error, ahorrando dinero y tiempo en el proceso.

A medida que avanza su investigación, Espinosa dice que su equipo planea explorar el gran espacio de los diseños de kirigami, incluidas las configuraciones de matriz, para conseguir un mayor número de posibles funcionalidades. Otra área de investigación futura es la incorporación de actuadores distribuidos para el despliegue y control de kirigami. Al profundizar en la técnica, el equipo cree que kirigami puede tener implicaciones en la arquitectura, ingeniería aeroespacial y ambiental.