Une nouvelle technique qui imite l'art japonais ancien du kirigami peut offrir un moyen plus simple de fabriquer des nanostructures 3D complexes à utiliser en électronique, fabrication et soins de santé.

Kirigami améliore l'art japonais de l'origami, qui consiste à plier du papier pour créer des conceptions structurelles 3D, en incorporant stratégiquement des coupes au papier avant le pliage. La méthode permet aux artistes de créer plus facilement des structures tridimensionnelles sophistiquées.

"Nous avons utilisé le kirigami à l'échelle nanométrique pour créer des nanostructures 3D complexes, " a déclaré Daniel Lopez, Penn State Liang Professeur de génie électrique et d'informatique, et chef de l'équipe qui a publié cette recherche dans Matériaux avancés . « Ces structures 3D sont difficiles à fabriquer car les procédés de nanofabrication actuels sont basés sur la technologie utilisée pour fabriquer de la microélectronique qui n'utilise que des plans, ou plat, cinéma. Sans techniques de kirigami, des structures tridimensionnelles complexes seraient beaucoup plus compliquées à fabriquer ou tout simplement impossibles à fabriquer. »

Lopez a dit que si la force est appliquée à un film structurel uniforme, rien ne se passe vraiment à part l'étirer un peu, comme ce qui se passe lorsqu'un morceau de papier est étiré. Mais lorsque des coupures sont introduites dans le film, et les forces sont appliquées dans une certaine direction, une structure apparaît, semblable à lorsqu'un artiste kirigami applique une force sur un papier découpé. La géométrie du motif plan des coupes détermine la forme de l'architecture 3D.

"Nous avons démontré qu'il est possible d'utiliser des méthodes de fabrication planaires conventionnelles pour créer différentes nanostructures 3D à partir de la même géométrie de coupe 2D, " Lopez a déclaré. "En introduisant des changements minimaux dans les dimensions des coupes dans le film, nous pouvons changer radicalement la forme tridimensionnelle des architectures pop-up. Nous avons fait la démonstration de dispositifs à l'échelle nanométrique qui peuvent incliner ou modifier leur courbure simplement en modifiant la largeur des coupes de quelques nanomètres. »

Ce nouveau domaine de la nano-ingénierie de type kirigami permet le développement de machines et de structures qui peuvent changer d'une forme à une autre, ou se métamorphoser, en réponse aux changements de l'environnement. Un exemple est un composant électronique qui change de forme à des températures élevées pour permettre une plus grande circulation d'air dans un appareil pour l'empêcher de surchauffer.

"Cette technique de kirigami permettra le développement d'une électronique flexible adaptative pouvant être incorporée sur des surfaces à topographie compliquée, comme un capteur reposant sur le cerveau humain, " Lopez a déclaré. "Nous pourrions utiliser ces concepts pour concevoir des capteurs et des actionneurs qui peuvent changer de forme et de configuration pour effectuer une tâche plus efficacement. Imaginez le potentiel des structures qui peuvent changer de forme avec de minuscules changements de température, d'éclairage ou de conditions chimiques."

Lopez concentrera ses recherches futures sur l'application de ces techniques de kirigami à des matériaux d'une épaisseur d'un atome, et des actionneurs minces en piézoélectrique. Ces matériaux 2D ouvrent de nouvelles possibilités pour les applications des structures induites par le kirigami. Lopez a déclaré que son objectif était de travailler avec d'autres chercheurs du Materials Research Institute (MRI) de Penn State pour développer une nouvelle génération de machines miniatures atomiquement plates et plus réactives aux changements de l'environnement.

"L'IRM est un leader mondial dans la synthèse et la caractérisation de matériaux 2D, qui sont les couches minces ultimes pouvant être utilisées pour l'ingénierie du kirigami, " dit Lopez. " De plus, en incorporant des matériaux piézo et ferroélectriques ultra-minces sur des structures de kirigami, nous développerons des structures agiles et à morphing de forme. Ces micro-machines à morphing de forme seraient très utiles pour des applications dans des environnements difficiles et pour l'administration de médicaments et la surveillance de la santé. Je travaille à faire de Penn State et de l'IRM l'endroit où nous développons ces très petites machines pour une variété spécifique d'applications."