La fabrication à la Kirigami pourrait permettre de nouvelles nanostructures 3D –

Kirigami améliore la forme artistique japonaise de l’origami, qui consiste à plier le papier pour créer des conceptions structurelles 3D, en incorporant stratégiquement des coupes au papier avant le pliage. La méthode permet aux artistes de créer plus facilement des structures tridimensionnelles sophistiquées.

«Nous avons utilisé le kirigami à l’échelle nanométrique pour créer des nanostructures 3D complexes», a déclaré Daniel Lopez, professeur Penn State Liang de génie électrique et d’informatique et chef de l’équipe qui a publié cette recherche dans Matériaux avancés. “Ces structures 3D sont difficiles à fabriquer car les processus de nanofabrication actuels sont basés sur la technologie utilisée pour fabriquer la microélectronique qui n’utilise que des films plans ou plats. Sans les techniques de kirigami, des structures tridimensionnelles complexes seraient beaucoup plus compliquées à fabriquer ou tout simplement impossibles. faire.”

Lopez a déclaré que si une force était appliquée à un film structurel uniforme, rien ne se passait vraiment à part l’étirer un peu, comme ce qui se passe lorsqu’un morceau de papier est étiré. Mais lorsque des coupes sont introduites dans le film et que des forces sont appliquées dans une certaine direction, une structure apparaît, comme lorsqu’un artiste kirigami applique une force sur un papier découpé. La géométrie du motif planaire des coupes détermine la forme de l’architecture 3D.

«Nous avons démontré qu’il est possible d’utiliser des méthodes de fabrication planaires conventionnelles pour créer différentes nanostructures 3D à partir de la même géométrie de coupe 2D», a déclaré Lopez. “En introduisant des changements minimaux dans les dimensions des coupes dans le film, nous pouvons changer radicalement la forme tridimensionnelle des architectures pop-up. Nous avons démontré des dispositifs à l’échelle nanométrique qui peuvent incliner ou modifier leur courbure simplement en modifiant la largeur des coupes quelques nanomètres. “

Ce nouveau domaine de la nano-ingénierie de type kirigami permet le développement de machines et de structures qui peuvent changer d’une forme à une autre, ou se métamorphoser, en réponse aux changements de l’environnement. Un exemple est un composant électronique qui change de forme à des températures élevées pour permettre plus de circulation d’air dans un appareil pour l’empêcher de surchauffer.

“Cette technique de kirigami permettra le développement d’une électronique flexible adaptative qui peut être incorporée sur des surfaces à topographie compliquée, comme un capteur reposant sur le cerveau humain”, a déclaré Lopez. “Nous pourrions utiliser ces concepts pour concevoir des capteurs et des actionneurs qui peuvent changer de forme et de configuration pour effectuer une tâche plus efficacement. Imaginez le potentiel des structures qui peuvent changer de forme avec de minuscules changements de température, d’éclairage ou de conditions chimiques.”

Lopez concentrera ses recherches futures sur l’application de ces techniques de kirigami à des matériaux d’une épaisseur d’un atome et à des actionneurs minces constitués de piézoélectriques. Ces matériaux 2D ouvrent de nouvelles possibilités pour les applications des structures induites par le kirigami. Lopez a déclaré que son objectif était de travailler avec d’autres chercheurs de l’Institut de recherche sur les matériaux de Penn State (MRI) pour développer une nouvelle génération de machines miniatures qui sont atomiquement plates et sont plus réactives aux changements de l’environnement.

«L’IRM est un leader mondial dans la synthèse et la caractérisation de matériaux 2D, qui sont les couches minces ultimes pouvant être utilisées pour l’ingénierie du kirigami», a déclaré Lopez. «De plus, en incorporant des matériaux piézoélectriques et ferroélectriques ultra-minces sur des structures de kirigami, nous développerons des structures agiles et à morphing de forme. Ces micro-machines à morphing de forme seraient très utiles pour des applications dans des environnements difficiles et pour l’administration de médicaments et la surveillance de la santé. Je travaille à faire de Penn State et de l’IRM le lieu où nous développons ces très petites machines pour une variété d’applications spécifiques. “

Parmi les autres auteurs de l’étude, citons Xu Zhang de l’Université Carnegie Mellon et Haogang Cai de l’Université de New York, tous deux anciens boursiers postdoctoraux de Lopez. Lior Medina et H. Espinosa de l’Université Northwestern et Vladimir Askyuk de l’Institut national des normes et de la technologie font également partie de l’équipe. La recherche a été soutenue par le département américain de l’énergie.

Source de l’histoire:

Matériaux fourni par État de Penn. Original écrit par Jamie Oberdick. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.