Una nueva técnica que imita el antiguo arte japonés del kirigami puede ofrecer una forma más fácil de fabricar nanoestructuras complejas en 3D para su uso en electrónica. fabricación y cuidado de la salud.

Kirigami realza la forma de arte japonesa del origami, que implica doblar papel para crear diseños estructurales en 3D, incorporando estratégicamente cortes al papel antes de doblarlo. El método permite a los artistas crear estructuras tridimensionales sofisticadas con mayor facilidad.

"Usamos kirigami a nanoescala para crear nanoestructuras complejas en 3D, "dijo Daniel López, Profesor Penn State Liang de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, y líder del equipo que publicó esta investigación en Materiales avanzados . "Estas estructuras 3D son difíciles de fabricar porque los procesos de nanofabricación actuales se basan en la tecnología utilizada para fabricar microelectrónica que solo utiliza planos, o plano, Película (s. Sin técnicas de kirigami, las estructuras tridimensionales complejas serían mucho más complicadas de fabricar o simplemente imposibles de hacer ".

López dijo que si se aplica fuerza a una película estructural uniforme, no pasa nada más que estirarlo un poco, como lo que sucede cuando se estira una hoja de papel. Pero cuando se introducen cortes en la película, y las fuerzas se aplican en una cierta dirección, aparece una estructura, similar a cuando un artista de kirigami aplica fuerza a un papel cortado. La geometría del patrón plano de cortes determina la forma de la arquitectura 3D.

"Demostramos que es posible utilizar métodos convencionales de fabricación plana para crear diferentes nanoestructuras 3D a partir de la misma geometría de corte 2D, "Dijo López." Al introducir cambios mínimos en las dimensiones de los cortes en la película, podemos cambiar drásticamente la forma tridimensional de las arquitecturas emergentes. Demostramos dispositivos a nanoescala que pueden inclinarse o cambiar su curvatura simplemente cambiando el ancho de los cortes unos pocos nanómetros ".

Este nuevo campo de la nanoingeniería al estilo kirigami permite el desarrollo de máquinas y estructuras que pueden cambiar de una forma a otra. o morph, en respuesta a cambios en el medio ambiente. Un ejemplo es un componente electrónico que cambia de forma a temperaturas elevadas para permitir más flujo de aire dentro de un dispositivo para evitar que se sobrecaliente.

"Esta técnica de kirigami permitirá el desarrollo de electrónica flexible adaptativa que se puede incorporar a superficies con topografía complicada, como un sensor que descansa sobre el cerebro humano, ", Dijo López." Podríamos usar estos conceptos para diseñar sensores y actuadores que pueden cambiar de forma y configuración para realizar una tarea de manera más eficiente. Imagine el potencial de estructuras que pueden cambiar de forma con minúsculos cambios de temperatura, iluminación o condiciones químicas ".

López enfocará su investigación futura en aplicar estas técnicas de kirigami a materiales que tienen un átomo de espesor, y actuadores delgados hechos de piezoeléctricos. Estos materiales 2D abren nuevas posibilidades para aplicaciones de estructuras inducidas por kirigami. López dijo que su objetivo es trabajar con otros investigadores del Instituto de Investigación de Materiales (MRI) de Penn State para desarrollar una nueva generación de máquinas en miniatura que sean atómicamente planas y que respondan mejor a los cambios en el medio ambiente.

"MRI es líder mundial en la síntesis y caracterización de materiales 2D, que son las últimas películas delgadas que se pueden utilizar para la ingeniería kirigami, "Dijo López." Además, incorporando materiales piezoeléctricos y ferroeléctricos ultrafinos en estructuras kirigami, Desarrollaremos estructuras ágiles y que cambien de forma. Estas micro-máquinas de transformación de formas serían muy útiles para aplicaciones en entornos hostiles y para la administración de medicamentos y el control de la salud. Estoy trabajando para hacer de Penn State y MRI el lugar donde desarrollamos estas máquinas súper pequeñas para una variedad específica de aplicaciones ".