Kirigami im Nanobereich: Die Kunst des Papierfaltens für einen technischen Durchbruch
Ingenieure können viel von den japanischen Kunstformen des Papierfaltens lernen, von Papier- und Wasserbatterien bis hin zu winzigen Robotern, die beim Erhitzen aktiviert werden. Während Origami viel Aufmerksamkeit erhält, hat die Kirigami-Version dieser Kunst auch viel zu bieten.
Das Wissenschaftlerteam hat diese Technik zum ersten Mal im Nanobereich angewendet und sagt, der Durchbruch eröffne neue Möglichkeiten für Anwendungen von der Robotik bis zur Luft- und Raumfahrt.
Kirigami ist Origami sehr ähnlich, außer dass das Papier nicht nur gefaltet wird, um verschiedene Formen zu erzeugen, sondern auch an ausgewählten Stellen sauber geschnitten wird, um das fertige Produkt herzustellen.
Wir haben kürzlich Ingenieure gesehen, die sich von dieser Kunstform inspirieren ließen, um neue Solarzellen zu entwickeln, die sich drehen, um die Sonne zu verfolgen, Roboterdrachen, die sich selbst bewegen, und programmierbare Ballons, die sich in verschiedene Formen aufblasen.
Diese Arten von Strukturen werden durch präzise positionierte geometrische Ausschnitte erreicht, die sehr dünnen Filmen des Materials einzigartige Eigenschaften verleihen, jedoch nur auf Makroebene oder was mit dem menschlichen Auge gesehen werden kann. Wissenschaftlern der Northwestern University ist es nun gelungen, diese Technik auf Strukturen anzuwenden, die im Nanobereich gemessen wurden. Als Referenz ist menschliches Haar etwa 100.000 Nanometer breit.
Das Forschungsteam begann mit ultradünnen Filmen und trug sie sorgfältig mit Kirigami auf. Restspannungen in diesen Filmen erzeugen dann eine strukturelle Instabilität, die wiederum Scheren in und um die Schnitte verursacht und das 2D-Material in eine projizierte 3D-Struktur umwandelt. Der Schnitt kann variiert werden, um biegbare und gedrehte Stoffe sowie ungewöhnliche dreidimensionale Formen zu erzeugen, sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch.
Diese Formen können in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung finden, von winzigen Robotergreifern bis hin zu räumlichen Lichtmodulatoren für optische Anwendungen und zur Steuerung des Flusses von Flugzeugflügeln, so die Forscher.
Von nun an planen die Forscher, das Potenzial der Kirigami-Engineering-Technologien weiter zu erforschen, einschließlich der Möglichkeit, Aktuatoren zum Einsatz oder zur Steuerung des fertigen Produkts einzubeziehen.
„Durch die Kombination von Nano-Herstellung, In-situ-Mikroskopie-Experimenten und Computersimulation haben wir das reichhaltige Verhalten von Kirigami-Strukturen aufgedeckt und die Bedingungen für ihre Verwendung in praktischen Anwendungen definiert“, sagt Horatio Espinoza, der die Studie leitete.