Macro-kirigami e nano-kirigami. (A) Immagini della fotocamera del processo di kirigami di carta di una cupola espandibile (corrispondente a un kirigami cinese tradizionale chiamato "fiore che tira"). (B) Immagini SEM di un film d'oro spesso 80 nm, un motivo ad arco concentrico 2D e una microcupola 3D. La macinazione FIB ad alto dosaggio corrisponde al processo di “taglio”, e l'irradiazione FIB globale a bassa dose dell'area del campione (racchiusa dall'ellisse tratteggiata) corrisponde al processo di "instabilità" in nano-kirigami. La direzione di instabilità è verso il basso lungo la direzione incidente FIB (fig. S1G). Nel riquadro è mostrata una dimensione della caratteristica 3D di 50 nm. (da C a F) un'elica a 12 pale e (da G a J) una girandola a quattro bracci formata da una carta macroscopica e un nanofilm d'oro, rispettivamente. Immagini SEM vista dall'alto dei modelli 2D fresati prima (D e H) e dopo (E e I) irradiazione FIB globale dall'alto, rispettivamente. (F) e (J) sono le viste laterali di (E) e (I), rispettivamente, che sono in buona corrispondenza con i macro-kirigami in (C) e (G). Le linee tratteggiate in (H) e (I) indicano una connessione tra due angoli della struttura centrale, rivelando un angolo di rotazione di ~41° da nano-kirigami. La fabbricazione in situ può essere programmata in un unico passaggio. Barre di scala nelle immagini SEM, 1 em. Credito:Liu et al., Sci. Adv . 2018;4:mangia4436
Nanokirigami è decollato come campo di ricerca negli ultimi anni; l'approccio si basa sulle antiche arti dell'origami (creare forme 3D piegando la carta) e del kirigami (che consente di tagliare e piegare) ma applicato a materiali piani su scala nanometrica, misurata in miliardesimi di metro.
Ora, ricercatori del MIT e in Cina hanno applicato per la prima volta questo approccio alla creazione di nanodispositivi per manipolare la luce, potenzialmente aprendo nuove possibilità per la ricerca e, in definitiva, la creazione di nuove comunicazioni basate sulla luce, rilevamento, o dispositivi di calcolo.
I risultati sono descritti oggi sulla rivista Progressi scientifici , in un articolo del professore di ingegneria meccanica del MIT Nicholas X Fang e altri cinque. Utilizzando metodi basati sulla tecnologia di produzione di microchip standard, Fang e il suo team hanno utilizzato un fascio di ioni focalizzato per creare uno schema preciso di fessure in una lamina di metallo spessa solo poche decine di nanometri. Il processo fa sì che la lamina si pieghi e si torca in una complessa forma tridimensionale in grado di filtrare selettivamente la luce con una particolare polarizzazione.
I precedenti tentativi di creare dispositivi kirigami funzionali hanno utilizzato metodi di fabbricazione più complicati che richiedono una serie di passaggi di piegatura e sono stati principalmente rivolti a funzioni meccaniche piuttosto che ottiche, dice Fang. I nuovi nanodispositivi, al contrario, può essere formato in un'unica fase di piegatura e può essere utilizzato per svolgere una serie di funzioni ottiche diverse.
Per questi dispositivi di proof-of-concept iniziali, il team ha prodotto un equivalente nanomeccanico di filtri dicroici specializzati in grado di filtrare la luce polarizzata circolarmente che è "destrimano" o "mancino". Fare così, hanno creato uno schema di poche centinaia di nanometri di diametro nella sottile lamina di metallo; il risultato ricorda le lame di una girandola, con una torsione in una direzione che seleziona la torsione di luce corrispondente.
La torsione e la flessione della lamina avvengono a causa delle sollecitazioni introdotte dallo stesso fascio ionico che taglia il metallo. Quando si utilizzano fasci ionici a bassi dosaggi, si creano molti posti vacanti, e alcuni degli ioni finiscono per depositarsi nel reticolo cristallino del metallo, spingendo fuori forma il reticolo e creando forti sollecitazioni che ne inducono la flessione.
"Tagliamo il materiale con un raggio ionico invece delle forbici, scrivendo il fascio di ioni focalizzato su questa lamina di metallo con uno schema prescritto, " Dice Fang. "Quindi ti ritrovi con questo nastro di metallo che si sta arricciando" secondo lo schema pianificato con precisione.
"È un bel collegamento tra i due campi, meccanica e ottica, " Dice Fang. Il team ha usato schemi elicoidali per separare le porzioni polarizzate in senso orario e antiorario di un raggio di luce, che può rappresentare "una nuova direzione" per la ricerca sui nanokirigami, lui dice.
La tecnica è abbastanza semplice che, con le equazioni sviluppate dal team, i ricercatori dovrebbero ora essere in grado di calcolare a ritroso da un insieme desiderato di caratteristiche ottiche e produrre il modello necessario di fessure e pieghe per produrre proprio quell'effetto, dice Fang.
"Permette una previsione basata su funzionalità ottiche" per creare modelli che raggiungano il risultato desiderato, Aggiunge. "In precedenza, le persone cercavano sempre di tagliare con l'intuizione" per creare modelli kirigami per un particolare risultato desiderato.
La ricerca è ancora in una fase iniziale, Fang sottolinea, quindi saranno necessarie ulteriori ricerche su possibili applicazioni. Ma questi dispositivi sono ordini di grandezza più piccoli delle controparti convenzionali che svolgono le stesse funzioni ottiche, quindi questi progressi potrebbero portare a chip ottici più complessi per il rilevamento, calcolo, o sistemi di comunicazione o dispositivi biomedici, dice la squadra.
Per esempio, Zanna dice, i dispositivi per misurare i livelli di glucosio spesso utilizzano misurazioni della polarità della luce, perché le molecole di glucosio esistono sia in forma destrorsa che levogira che interagiscono in modo diverso con la luce. "Quando passi la luce attraverso la soluzione, puoi vedere la concentrazione di una versione della molecola, al contrario della miscela di entrambi, "Fang spiega, e questo metodo potrebbe consentire molto più piccolo, rilevatori più efficienti.
La polarizzazione circolare è anche un metodo utilizzato per consentire a più raggi laser di viaggiare attraverso un cavo in fibra ottica senza interferire l'uno con l'altro. "Le persone hanno cercato un tale sistema per i sistemi di comunicazione ottica laser" per separare i raggi in dispositivi chiamati isolatori ottici, dice Fang. "Abbiamo dimostrato che è possibile realizzarli in dimensioni nanometriche".
Il team comprendeva anche lo studente laureato del MIT Huifeng Du; Zhiguang Liu, Jiafang Li (supervisore del progetto), e Ling Lu all'Accademia Cinese delle Scienze di Pechino; e Zhi-Yuan Li alla South China University of Technology. Il lavoro è stato sostenuto dal National Key R&D Program of China, la Fondazione Nazionale di Scienze Naturali della Cina, e l'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica statunitense.
