Macro-kirigami et nano-kirigami. (A) Images de caméra du processus de kirigami en papier d'un dôme extensible (correspondant à un kirigami chinois traditionnel nommé « tirer la fleur »). (B) Images SEM d'un film d'or de 80 nm d'épaisseur, un motif d'arc concentrique 2D et un microdôme 3D. Le broyage FIB à haute dose correspond au procédé de "coupe", et l'irradiation globale FIB à faible dose de la zone de l'échantillon (entourée par l'ellipse en pointillés) correspond au processus de « bouclage » dans le nano-kirigami. La direction de flambement est descendante le long de la direction d'incidence du FIB (fig. S1G). Une taille d'entité 3D de 50 nm est indiquée dans l'encart. (C à F) Une hélice à 12 pales et (G à J) un moulinet à quatre bras formé dans un papier macroscopique et un nanofilm d'or, respectivement. Images SEM en vue de dessus des motifs 2D fraisés avant (D et H) et après (E et I) l'irradiation globale FIB par le haut, respectivement. (F) et (J) sont les vues latérales de (E) et (I), respectivement, qui sont en bonne correspondance avec le macro-kirigami en (C) et (G). Les lignes pointillées en (H) et (I) indiquent une connexion entre deux coins de la structure centrale, révélant un angle de rotation de ~41° par nano-kirigami. La fabrication in situ peut être programmée en une seule étape. Barres d'échelle dans les images SEM, 1 um. Crédit :Liu et al., Sci. Avancé . 2018;4 :eaat4436
Le nanokirigami a pris son essor comme domaine de recherche ces dernières années; l'approche est basée sur les arts anciens de l'origami (faire des formes 3D par pliage de papier) et du kirigami (qui permet aussi bien de découper que de plier) mais appliqués à des matériaux plats à l'échelle nanométrique, mesuré en milliardièmes de mètre.
Maintenant, des chercheurs du MIT et en Chine ont pour la première fois appliqué cette approche à la création de nanodispositifs pour manipuler la lumière, ouvrant potentiellement de nouvelles possibilités de recherche et, finalement, la création de nouvelles communications basées sur la lumière, détection, ou des appareils de calcul.
Les résultats sont décrits aujourd'hui dans la revue Avancées scientifiques , dans un article du professeur de génie mécanique du MIT Nicholas X Fang et de cinq autres personnes. En utilisant des méthodes basées sur la technologie de fabrication de puces standard, Fang et son équipe ont utilisé un faisceau d'ions focalisé pour créer un motif précis de fentes dans une feuille de métal de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur. Le processus amène la feuille à se plier et à se tordre en une forme tridimensionnelle complexe capable de filtrer sélectivement la lumière avec une polarisation particulière.
Les tentatives précédentes pour créer des dispositifs de kirigami fonctionnels ont utilisé des méthodes de fabrication plus compliquées qui nécessitent une série d'étapes de pliage et visaient principalement des fonctions mécaniques plutôt qu'optiques, dit Croc. Les nouveaux nanodispositifs, par contre, peut être formé en une seule étape de pliage et pourrait être utilisé pour exécuter un certain nombre de fonctions optiques différentes.
Pour ces dispositifs de validation de principe initiale, l'équipe a produit un équivalent nanomécanique de filtres dichroïques spécialisés qui peuvent filtrer la lumière polarisée circulairement qui est soit "droitière" ou "gauche". Faire cela, ils ont créé un motif de quelques centaines de nanomètres de diamètre dans la fine feuille de métal; le résultat ressemble à des lames de moulinet, avec une torsion dans une direction qui sélectionne la torsion correspondante de la lumière.
La torsion et la flexion de la feuille se produisent à cause des contraintes introduites par le même faisceau d'ions qui coupe le métal. Lors de l'utilisation de faisceaux d'ions à faibles doses, de nombreux postes sont créés, et certains des ions finissent par se loger dans le réseau cristallin du métal, pousser le treillis hors de forme et créer de fortes contraintes qui induisent la flexion.
« Nous avons coupé le matériau avec un faisceau d'ions au lieu de ciseaux, en écrivant le faisceau d'ions focalisé sur cette tôle avec un motif prescrit, " Dit Fang. " Donc tu te retrouves avec ce ruban métallique qui se plisse " selon le motif précisément prévu.
"C'est une très belle connexion des deux domaines, mécanique et optique, " dit Fang. L'équipe a utilisé des motifs hélicoïdaux pour séparer les parties polarisées dans le sens horaire et antihoraire d'un faisceau lumineux, ce qui peut représenter "une toute nouvelle direction" pour la recherche sur le nanokirigami, il dit.
La technique est assez simple pour que, avec les équations développées par l'équipe, les chercheurs devraient maintenant être en mesure de calculer à rebours à partir d'un ensemble souhaité de caractéristiques optiques et de produire le motif de fentes et de plis nécessaire pour produire exactement cet effet, dit Croc.
"Il permet une prédiction basée sur des fonctionnalités optiques" pour créer des motifs qui permettent d'obtenir le résultat souhaité, il ajoute. "Précédemment, les gens essayaient toujours de couper par intuition" pour créer des motifs de kirigami pour un résultat souhaité particulier.
La recherche n'en est qu'à ses débuts, Fang fait remarquer, des recherches supplémentaires seront donc nécessaires sur les applications possibles. Mais ces appareils sont des ordres de grandeur plus petits que leurs homologues conventionnels qui remplissent les mêmes fonctions optiques, ces avancées pourraient donc conduire à des puces optiques plus complexes pour la détection, calcul, ou des systèmes de communication ou des dispositifs biomédicaux, dit l'équipe.
Par exemple, Croc dit, les appareils pour mesurer les niveaux de glucose utilisent souvent des mesures de la polarité de la lumière, parce que les molécules de glucose existent sous des formes droitières et gauchers qui interagissent différemment avec la lumière. « Quand vous passez de la lumière à travers la solution, vous pouvez voir la concentration d'une version de la molécule, par opposition au mélange des deux, " Fang explique, et cette méthode pourrait permettre beaucoup plus petit, détecteurs plus efficaces.
La polarisation circulaire est également une méthode utilisée pour permettre à plusieurs faisceaux laser de traverser un câble à fibre optique sans interférer les uns avec les autres. "Les gens recherchaient un tel système pour les systèmes de communication optique laser" pour séparer les faisceaux dans des dispositifs appelés isolateurs optiques, dit Croc. "Nous avons montré qu'il est possible de les fabriquer à des tailles nanométriques."
L'équipe comprenait également Huifeng Du, étudiant diplômé du MIT; Zhiguang Liu, Jiafang Li (superviseur de projet), et Ling Lu à l'Académie chinoise des sciences à Pékin; et Zhi-Yuan Li à l'Université de technologie de Chine du Sud. Le travail a été soutenu par le programme national clé de R&D de Chine, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, et le Bureau de la recherche scientifique de l'US Air Force.
