Kirigami式制造可以实现新的3D纳米结构

一种模仿古代剪纸艺术的新技术可能会提供一种更简单的方法来制造复杂的 3D 纳米结构，用于电子、制造和医疗保健。Kirigami 增强了的折纸艺术形式，其中涉及折叠纸张以创建 3D 结构设计，在折叠之前策略性地将切口合并到纸张上。该方法使艺术家能够更轻松地创建复杂的 3D 结构。

“我们在纳米尺度上使用剪纸来创建复杂的 3D 纳米结构，”宾夕法尼亚州立大学电子工程和计算机科学教授、在Advanced Materials 上发表这项研究的团队负责人 Daniel Lopez 说。“这些 3D 结构难以制造，因为当前的纳米制造工艺是基于用于制造仅使用平面或平面薄膜的微电子技术的技术。如果没有剪纸技术，复杂的 3D 结构将变得更加复杂，或者根本不可能使。”

洛佩兹说，如果对均匀的结构薄膜施加力，除了将其拉伸一点之外，什么也不会发生，就像拉伸一张纸时发生的情况一样。但是，当在电影中引入剪裁并向某个方向施加力时，会弹出一个结构，类似于剪纸艺术家对剪纸施加力时的结构。切割平面图案的几何形状决定了 3D 架构的形状。

“我们证明了可以使用传统的平面制造方法从相同的 2D 切割几何形状创建不同的 3D 纳米结构，”洛佩兹说。“通过对薄膜中切口的尺寸进行最小的改变，我们可以彻底改变弹出式结构的三维形状。我们展示了纳米级设备，只需改变切口的宽度就可以倾斜或改变它们的曲率几纳米。”

这个剪纸式纳米工程的新领域使机器和结构的开发能够从一种形状变为另一种形状，或变形，以响应环境的变化。一个例子是一种电子元件，它在升高的温度下会改变形状，以使设备内有更多的空气流动，从而防止设备过热。

“这种剪纸技术将允许开发自适应柔性电子设备，这些电子设备可以集成到具有复杂地形的表面上，例如放置在人脑上的传感器，”洛佩兹说。“我们可以使用这些概念来设计传感器和执行器，它们可以改变形状和配置以更有效地执行任务。想象一下可以随着温度、光照或化学条件的微小变化而改变形状的结构的潜力。”

Lopez 将把他未来的研究重点放在将这些剪纸技术应用于一个原子厚的材料和由压电材料制成的薄致动器。这些二维材料为剪纸诱导结构的应用开辟了新的可能性。洛佩兹说，他的目标是与宾夕法尼亚州立大学材料研究所 (MRI) 的其他研究人员合作，开发新一代的微型机器，这些机器在原子层面上是平坦的，对环境变化的反应更灵敏。

“MRI 在合成和表征二维材料方面处于世界领先地位，二维材料是可用于剪纸工程的终极薄膜，”洛佩兹说。“此外，通过将超薄压电材料和铁电材料结合到剪纸结构上，我们将开发出灵活的形状变形结构。这些形状变形微型机器对于恶劣环境中的应用以及药物输送和健康监测非常有用。我正在努力使宾夕法尼亚州立大学和 MRI 成为我们为特定应用开发这些超小型机器的地方。”

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