Un corte o rasgadura en un material suele ser un signo de debilidad. Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Northwestern, la Universidad de Illinois y la Universidad de Tsinghua ha creado microestructuras y nanoestructuras tridimensionales complejas de silicio y otros materiales encontrados en tecnologías avanzadasusando un nuevo método de ensamblaje que usa cortes para sacar ventaja.
El método Kirigami se basa en la técnica de fabricación "emergente" del equipo, que pasa de un material 2D a 3D en un instante, como un libro infantil emergente, publicado a principios de este año en la revista ScienceSi bien fue un primer paso innovador, esas estructuras anteriores en forma de cinta produjeron redes abiertas, con una capacidad limitada para lograr formas de forma cerrada o para soportar dispositivos espacialmente extendidos.
En su nuevo trabajo, el equipo de investigación resolvió este problema tomando prestadas ideas de Kirigami, la antigua técnica japonesa para formar estructuras de papel doblando y cortando. El estudio de Kirigami fue publicado hoy 8 de septiembre por el Actas de la Academia Nacional de Ciencias PNAS .
Comenzando con estructuras bidimensionales formadas utilizando métodos de vanguardia en la fabricación de semiconductores y cuidadosamente colocados "cortes de Kirigami", los investigadores crearon más de 50 estructuras tridimensionales cerradas en su mayoría que, en teoría, podrían contener célulaso admite dispositivos electrónicos u optoelectrónicos avanzados. Dichas capacidades posicionan la técnica para su uso potencial en aplicaciones industriales y de ingeniería de tejidos, tales como dispositivos biomédicos, almacenamiento de energía y sistemas microelectromecánicos.
"El concepto clave en Kirigami es un corte", dijo Yonggang Huang, profesor de Ingeniería Civil y Ambiental e Ingeniería Mecánica Walter P. Murphy en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern.
"Los cortes generalmente conducen al fracaso, pero aquí tenemos lo contrario: los cortes nos permiten producir formas tridimensionales complejas que de otro modo no tendríamos", dijo. "Esta técnica de fabricación tridimensional única ahora puede ser utilizada porotros para sus propias creaciones y aplicaciones "
Huang y su equipo trabajaron con el grupo de investigación de John A. Rogers, el presidente de Swanlund y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Illinois. Rogers y Huang son coautores correspondientes del estudio.
"Nuestro enfoque ofrece una notable flexibilidad en la transformación de estructuras bidimensionales, incluidas las que se encuentran en las formas más avanzadas de electrónica y fotónica, en estructuras tridimensionales", dijo Rogers, un colaborador de mucho tiempo de Huang. "Hemos establecido con éxito unconjunto de reglas y métodos de diseño para manipular láminas, cintas y placas y controlar su comportamiento en el espacio tridimensional ".
El equipo de investigación hizo estructuras tridimensionales a partir de materiales que incluyen silicio, polímeros, metales y dieléctricos. Algunas estructuras combinaron varios materiales, como el oro y un semiconductor, incluidos patrones que proporcionan respuestas ópticas útiles.
La técnica de Kirigami es adecuada para la producción en masa, y la amplitud de los materiales que pueden manipularse ilustra su utilidad sobre la impresión en 3D, que generalmente solo se aplica con polímeros. El método de Kirigami también es rápido, mientras que la impresión en 3D eslento.
Los investigadores comenzaron con un material plano adherido en ciertos lugares a un sustrato estirado. Estratégicamente hicieron "cortes" en el material de modo que cuando se libera el estiramiento y la superficie "emerge" en tres dimensiones, toda la tensión físicadesde la nueva forma tridimensional se libera a través de los cortes, evitando que la estructura se rompa. Los cortes se realizan solo en aquellos lugares donde la tensión normalmente se concentraría.
Los "cortes" no se realizan físicamente en el material, explicó Huang. En cambio, los métodos basados en enfoques de fabricación para chips de computadora permiten que estas características se definan en el material con un control de ingeniería extremadamente alto.
Los tamaños de las estructuras tridimensionales varían de 100 nanómetros cuadrados a 3 centímetros cuadrados, mientras que los cortes en sí son realmente pequeños: típicamente entre 1 micra y 10 micras de ancho para estructuras tridimensionales de silicio, lo suficientemente pequeñas como para interactuar directamente concélulas o estructuras intracelulares o para manipular componentes en microelectrónica.
Los investigadores predijeron con éxito mediante simulación por computadora la forma 2-D y los cortes necesarios para producir la estructura 3-D real. La capacidad de hacer predicciones elimina el tiempo y el gasto de los experimentos de prueba y error.
Los investigadores también pueden ajustar reversiblemente las propiedades ópticas de sus estructuras mediante estiramiento mecánico, después de que se formen. Demostraron un obturador óptico simple basado en conjuntos de microplacas giratorias, que funcionan de manera muy similar a los postigos en una ventana.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Megan Fellman. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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