Fiocchi di neve di carta, libri per bambini pop-up e carte di carta elaborate interessano molto più che semplici artigiani. Un team di ingegneri della Northwestern University sta utilizzando idee tratte da pratiche di piegatura della carta per creare un'alternativa sofisticata alla stampa 3D.

Kirigami deriva dalle parole giapponesi "kiru" (tagliare) e "kami" (carta) ed è una forma d'arte tradizionale in cui la carta viene tagliata con precisione e trasformata in un oggetto 3-D. Utilizzando film sottili di materiale e software per selezionare tagli geometrici esatti, gli ingegneri possono creare una vasta gamma di strutture complesse prendendo ispirazione dalla pratica.

Ricerca, pubblicato nel 2015, ha mostrato risultati promettenti nel modello di fabbricazione "pop-up" del kirigami. In questa iterazione, le strutture nastriformi create dai tagli erano forme aperte, con capacità limitata di ottenere forme chiuse. Altre ricerche basate sulla stessa ispirazione dimostrano principalmente che il kirigami può essere applicato su macroscala con materiali semplici come la carta.

Ma una nuova ricerca pubblicata oggi (22 dicembre) sulla rivista Materiale avanzato fa avanzare il processo un ulteriore passo avanti.

Horacio Espinosa, un professore di ingegneria meccanica alla McCormick School of Engineering, ha affermato che il suo team è stato in grado di applicare concetti di design e kirigami alle nanostrutture. Espinosa ha guidato la ricerca ed è James N. e Nancy J. Farley Professor in Manufacturing and Entrepreneurship.

"Combinando la nanoproduzione, sperimentazione di microscopia in situ, e modellazione computazionale, abbiamo svelato il ricco comportamento delle strutture kirigami e identificato le condizioni per il loro utilizzo in applicazioni pratiche, " disse Espinosa.

I ricercatori iniziano creando strutture 2-D utilizzando metodi all'avanguardia nella produzione di semiconduttori e posizionando con cura "tagli kirigami" su pellicole ultrasottili. Le instabilità strutturali indotte dalle sollecitazioni residue nei film creano quindi strutture 3D ben definite. Le strutture kirigami ingegnerizzate potrebbero essere impiegate in una serie di applicazioni che vanno dalle pinze su microscala (ad esempio il prelievo di cellule) ai modulatori spaziali della luce al controllo del flusso nelle ali degli aeroplani. Queste capacità posizionano la tecnica per potenziali applicazioni in dispositivi biomedici, raccolta di energia, e aerospaziale.

Tipicamente, c'è stato un limite al numero di forme che possono essere create da un singolo motivo kirigami. Ma utilizzando variazioni nei tagli, il team è stato in grado di dimostrare la piegatura e la torsione del film che si traducono in una più ampia varietà di forme, comprese le configurazioni simmetriche e asimmetriche. I ricercatori hanno dimostrato per la prima volta che le strutture su microscala, utilizzando spessori di film di poche decine di nanometri, può ottenere forme 3D insolite e presentare funzionalità più ampie.

Per esempio, le micropinzette elettrostatiche si chiudono a scatto, che può essere duro sui campioni morbidi. Al contrario, Le pinzette a base di kirigami possono essere progettate per controllare con precisione la forza di presa regolando la quantità di allungamento. In questa e in altre applicazioni, la capacità di progettare le posizioni di taglio e prevedere il comportamento strutturale sulla base di simulazioni al computer elimina tentativi ed errori, risparmiando tempo e denaro nel processo.

Man mano che la loro ricerca avanza, Espinosa afferma che il suo team ha in programma di esplorare l'ampio spazio dei disegni kirigami, comprese le configurazioni di array, al fine di ottenere un maggior numero di possibili funzionalità. Un'altra area per la ricerca futura è l'integrazione di attuatori distribuiti per l'implementazione e il controllo di kirigami. Approfondendo la tecnica, il team crede che il kirigami possa avere implicazioni in architettura, ingegneria aerospaziale e ambientale.