Киригами в наномасштабе: искусство складывания бумаги для инженерного прорыва

Инженеры могут многому научиться у японских форм искусства складывания бумаги, от батарей из бумаги и воды до крошечных роботов, которые активируются при нагревании. В то время как оригами привлекает много внимания, разновидность этого искусства под названием киригами также может многое предложить.

Команда ученых впервые применила эту технику к наномасштабу, и они говорят, что прорыв открывает новые возможности в самых разных приложениях, от робототехники до аэрокосмической промышленности.

Киригами очень похожи на оригами, за исключением того, что бумага не только складывается для создания различных форм, но и аккуратно вырезается в выбранных местах для получения готового продукта.

Недавно мы стали свидетелями того, как инженеры черпали вдохновение из этого вида искусства, чтобы разработать новые солнечные элементы, которые вращаются, чтобы отслеживать Солнце, роботизированных змей, которые двигаются сами, и программируемых воздушных шаров, которые надуваются в различные формы.

Эти типы структур достигаются за счет точно расположенных геометрических вырезов, которые придают очень тонким пленкам материала уникальный набор свойств, но только на макроуровне, или на том, что можно увидеть человеческим глазом. Ученым из Northwestern University теперь удалось применить эту технику к структурам, измеряемым в наномасштабе. Для справки: человеческий волос имеет ширину около 100 000 нанометров.

Команда исследователей начала с ультратонких пленок и аккуратно нанесла на них киригами. Остаточные напряжения в этих пленках затем создают структурную нестабильность, которая, в свою очередь, вызывает сдвиги в разрезах и вокруг них, превращая 2D-материал в спроектированную 3D-структуру. Крой можно варьировать для создания изгибаемых и скрученных материалов, а также для создания необычных трехмерных форм, как симметричных, так и асимметричных.

По словам исследователей, эти формы могут найти применение в самых разных областях, от крошечных роботизированных захватов до пространственных модуляторов света для оптических приложений и управления потоком крыльев самолета.

С этого момента исследователи планируют продолжить изучение потенциала инженерных технологий киригами, включая возможность включения исполнительных механизмов для развертывания или управления готовым продуктом.

«Объединив нанопроизводство, эксперименты с микроскопией in situ (с лат. — «на месте») и компьютерное моделирование, мы раскрыли богатое поведение структур киригами и определили условия их использования в практических приложениях», — говорит Горацио Эспиноза, руководивший исследованием.

Исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials, а видео ниже предлагает краткий обзор техники в действии.