Flocons de neige en papier, Les livres pop-up pour enfants et les cartes en papier élaborées intéressent bien plus que les simples artisans. Une équipe d'ingénieurs de la Northwestern University utilise des idées tirées des pratiques de pliage du papier pour créer une alternative sophistiquée à l'impression 3D.

Kirigami vient des mots japonais "kiru" (couper) et "kami" (papier) et est une forme d'art traditionnelle dans laquelle le papier est découpé avec précision et transformé en un objet 3D. Utilisation de films minces de matériau et de logiciels pour sélectionner des coupes géométriques exactes, les ingénieurs peuvent créer un large éventail de structures complexes en s'inspirant de la pratique.

Recherche, publié en 2015, s'est montré prometteur dans le modèle de fabrication « pop-up » de kirigami. Dans cette itération, les structures en forme de ruban créées par les coupes étaient des formes ouvertes, avec une capacité limitée à obtenir des formes fermées. D'autres recherches s'appuyant sur la même inspiration démontrent principalement que le kirigami peut être appliqué à une échelle macroscopique avec des matériaux simples comme le papier.

Mais une nouvelle recherche publiée aujourd'hui (22 décembre) dans la revue Matériaux avancés fait avancer le processus un peu plus loin.

Horacio Espinosa, professeur de génie mécanique à la McCormick School of Engineering, a déclaré que son équipe était capable d'appliquer les concepts de conception et de kirigami aux nanostructures. Espinosa a dirigé la recherche et est le professeur James N. et Nancy J. Farley en fabrication et entrepreneuriat.

« En combinant la nanofabrication, expérimentation en microscopie in situ, et modélisation informatique, nous avons démêlé le riche comportement des structures de kirigami et identifié les conditions de leur utilisation dans des applications pratiques, " a déclaré Espinosa.

Les chercheurs commencent par créer des structures 2D en utilisant des méthodes de pointe dans la fabrication de semi-conducteurs et des « coupes kirigami » soigneusement placées sur des films ultrafins. Les instabilités structurelles induites par les contraintes résiduelles dans les films créent alors des structures 3D bien définies. Les structures de kirigami conçues pourraient être utilisées dans un certain nombre d'applications allant des pinces à micro-échelle (par exemple, la sélection de cellules) aux modulateurs de lumière spatiaux en passant par le contrôle de flux dans les ailes d'avion. Ces capacités positionnent la technique pour des applications potentielles dans les dispositifs biomédicaux, récupération d'énergie, et aérospatiale.

Typiquement, il y a eu une limite au nombre de formes qui peuvent être créées par un seul motif de kirigami. Mais en utilisant des variations dans les coupes, l'équipe a pu démontrer le pliage et la torsion du film qui se traduisent par une plus grande variété de formes, y compris des configurations symétriques et asymétriques. Les chercheurs ont démontré pour la première fois que des structures à l'échelle microscopique, utilisant des épaisseurs de film de quelques dizaines de nanomètres, peut obtenir des formes 3D inhabituelles et présenter des fonctionnalités plus larges.

Par exemple, les micropinces électrostatiques s'enclenchent, ce qui peut être dur sur les échantillons mous. Par contre, les pincettes à base de kirigami peuvent être conçues pour contrôler avec précision la force de saisie en ajustant la quantité d'étirement. Dans cette application et d'autres, la capacité de concevoir des emplacements de coupe et de prédire le comportement structurel sur la base de simulations informatiques élimine les essais et les erreurs, économiser de l'argent et du temps dans le processus.

Au fur et à mesure que leurs recherches avancent, Espinosa dit que son équipe prévoit d'explorer le grand espace des conceptions de kirigami, y compris les configurations de baies, afin d'obtenir un plus grand nombre de fonctionnalités possibles. Un autre domaine de recherche future est l'intégration d'actionneurs distribués pour le déploiement et le contrôle du kirigami. En approfondissant la technique, l'équipe pense que le kirigami peut avoir des implications en architecture, génie aérospatial et environnemental.