Метод Киригами основан на методе создания «всплывающих окон» — переход от двухмерного материала к трехмерному в одно мгновение, как всплывающая детская книга, — о которой ранее в этом году сообщалось в журнале Science. Будучи инновационным первым шагом, эти более ранние ленточные структуры привели к появлению открытых сетей с ограниченной способностью создавать замкнутые формы или поддерживать пространственно протяженные устройства.
В своей новой работе исследовательская группа решила эту проблему, позаимствовав идеи из Киригами, древней японской техники формирования бумажных структур путем складывания и резки. Исследование Киригами было опубликовано сегодня (8 сентября) в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).Начиная с двумерных структур, сформированных с использованием новейших методов производства полупроводников, и тщательно размещенных «разрезов Киригами», исследователи создали более 50 различных в основном закрытых трехмерных структур, которые теоретически могут содержать клетки или опору. современные электронные или оптоэлектронные устройства. Такие возможности позволяют использовать этот метод в тканевой инженерии и в промышленных приложениях, таких как биомедицинские устройства, накопители энергии и микроэлектромеханические системы.
«Ключевой концепцией в Киригами является разрез», — сказал Юнган Хуанг, профессор гражданской и экологической инженерии и машиностроения Северо-Западного университета Маккормика Уолтера П. Мерфи.«Порезы обычно приводят к неудачам, но здесь все наоборот: разрезы позволяют нам создавать сложные трехмерные формы, которых иначе бы не было», — сказал он. «Эта уникальная технология трехмерного производства теперь может использоваться другими для своих собственных творений и приложений».
Хуанг и его команда работали с исследовательской группой Джона А. Роджерса, заведующего кафедрой Сванлунда и профессора материаловедения и инженерии в Университете Иллинойса. Роджерс и Хуанг являются соавторами-корреспондентами исследования.
«Наш подход предлагает замечательную гибкость в преобразовании двумерных структур, в том числе тех, что используются в самых передовых формах электроники и фотоники, в трехмерные структуры», — сказал Роджерс, давний сотрудник Хуанга. «Мы успешно разработали набор правил и методов проектирования для управления листами, лентами и пластинами и управления их поведением в трехмерном пространстве».Группа исследователей создала трехмерные структуры из материалов, включая кремний, полимеры, металлы и диэлектрики.
Некоторые структуры сочетают в себе ряд материалов, таких как золото и полупроводник, в том числе узоры, обеспечивающие полезные оптические отклики.Техника киригами подходит для массового производства, и широкий спектр материалов, которыми можно манипулировать, демонстрирует ее полезность по сравнению с трехмерной печатью, которая обычно применяется только с полимерами.
Метод киригами также является быстрым, тогда как трехмерная печать выполняется медленно.Исследователи начали с плоского материала, приклеенного в определенных местах к растянутой подложке.
Они стратегически сделали «надрезы» в материале, так что, когда растяжение прекращается, и поверхность «всплывает» в трехмерном пространстве, вся физическая нагрузка от новой трехмерной формы снимается через надрезы, предотвращая разрушение конструкции. . Надрезы делаются как раз в тех местах, где обычно концентрируется напряжение.«Надрезы» в материале не сделаны физически, объяснил Хуанг.
Вместо этого методы, основанные на подходах к производству компьютерных микросхем, позволяют определять эти характеристики в материале с чрезвычайно высоким техническим контролем.Размеры трехмерных структур варьируются от 100 квадратных нанометров до 3 квадратных сантиметров, в то время как сами порезы действительно крошечные: обычно от 1 микрона до 10 микрон в ширину для кремниевых трехмерных структур — достаточно малых размеров, чтобы взаимодействовать непосредственно с ячейками или внутриклеточные структуры или манипулировать компонентами в микроэлектронике.
С помощью компьютерного моделирования исследователи успешно предсказали двухмерную форму и разрезы, необходимые для создания реальной трехмерной структуры. Возможность делать прогнозы сокращает время и затраты на эксперименты методом проб и ошибок.
Исследователи также могут обратимо настраивать оптические свойства своих структур путем механического растяжения после того, как они сформированы. Они продемонстрировали простой оптический затвор, основанный на множестве вращающихся микропланшетов, работающий так же, как ставни на окне.