Una nuova tecnica che imita l'antica arte giapponese del kirigami può offrire un modo più semplice per fabbricare complesse nanostrutture 3D per l'uso in elettronica, manifatturiero e sanitario.

Kirigami esalta la forma d'arte giapponese dell'origami, che prevede la piegatura della carta per creare progetti strutturali 3D, incorporando strategicamente i tagli sulla carta prima della piegatura. Il metodo consente agli artisti di creare più facilmente strutture tridimensionali sofisticate.

"Abbiamo usato il kirigami su scala nanometrica per creare complesse nanostrutture 3D, " ha detto Daniel Lopez, Penn State Liang Professore di ingegneria elettrica e informatica, e leader del team che ha pubblicato questa ricerca in Materiale avanzato . "Queste strutture 3D sono difficili da fabbricare perché gli attuali processi di nanofabbricazione si basano sulla tecnologia utilizzata per fabbricare la microelettronica che utilizza solo planari, o piatto, film. Senza tecniche di kirigami, strutture tridimensionali complesse sarebbero molto più complicate da fabbricare o semplicemente impossibili da realizzare".

Lopez ha detto che se la forza viene applicata a un film strutturale uniforme, non succede niente se non allungarlo un po', come quello che succede quando si allunga un pezzo di carta. Ma quando vengono introdotti dei tagli al film, e le forze vengono applicate in una certa direzione, si apre una struttura, simile a quando un artista di kirigami applica la forza su una carta tagliata. La geometria del modello planare dei tagli determina la forma dell'architettura 3D.

"Abbiamo dimostrato che è possibile utilizzare metodi di fabbricazione planare convenzionali per creare diverse nanostrutture 3D dalla stessa geometria di taglio 2D, " ha detto Lopez. "Introducendo modifiche minime alle dimensioni dei tagli nel film, possiamo cambiare drasticamente la forma tridimensionale delle architetture pop-up. Abbiamo dimostrato dispositivi su scala nanometrica che possono inclinarsi o cambiare la loro curvatura semplicemente modificando la larghezza dei tagli di pochi nanometri".

Questo nuovo campo della nanoingegneria in stile kirigami consente lo sviluppo di macchine e strutture che possono cambiare da una forma all'altra, o metamorfosi, in risposta ai cambiamenti dell'ambiente. Un esempio è un componente elettronico che cambia forma a temperature elevate per consentire un maggiore flusso d'aria all'interno di un dispositivo per evitare che si surriscaldi.

"Questa tecnica kirigami consentirà lo sviluppo di elettronica flessibile adattiva che può essere incorporata su superfici con topografia complicata, come un sensore poggiato sul cervello umano, "Potremmo usare questi concetti per progettare sensori e attuatori in grado di cambiare forma e configurazione per eseguire un'attività in modo più efficiente", ha affermato Lopez. Immagina il potenziale di strutture che possono cambiare forma con minuscoli cambiamenti di temperatura, illuminazione o condizioni chimiche."

Lopez concentrerà la sua ricerca futura sull'applicazione di queste tecniche di kirigami a materiali dello spessore di un atomo, e attuatori sottili fatti di piezoelettrici. Questi materiali 2D aprono nuove possibilità per le applicazioni delle strutture indotte dal kirigami. Lopez ha affermato che il suo obiettivo è lavorare con altri ricercatori del Materials Research Institute (MRI) di Penn State per sviluppare una nuova generazione di macchine in miniatura che sono atomicamente piatte e sono più reattive ai cambiamenti nell'ambiente.

"La risonanza magnetica è leader mondiale nella sintesi e caratterizzazione di materiali 2D, quali sono i migliori film sottili che possono essere utilizzati per l'ingegneria del kirigami, " ha detto Lopez. "Inoltre, incorporando materiali piezoelettrici e ferroelettrici ultrasottili su strutture kirigami, svilupperemo strutture agili e che cambiano forma. Queste micromacchine che cambiano forma sarebbero molto utili per applicazioni in ambienti difficili e per la somministrazione di farmaci e il monitoraggio della salute. Sto lavorando per rendere Penn State e MRI il luogo in cui sviluppiamo queste macchine super piccole per una specifica varietà di applicazioni".