Kirigami Papierfalttechnik inspiriert fortschrittliche 3D-Nanotechnologie

Wenn es um die 3D-Faltforschung geht, hören wir am häufigsten von Projekten, die von Origami inspiriert sind. Aber wie neue Forschungen der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zeigen, sollten wir die alte chinesische Kunst des Kirigami, auch bekannt als Jianzhi und Papierschnitte, nicht außer Acht lassen.

Kirigami beinhaltet das Schneiden von Mustern in flaches Papier vor dem Falten in 3D-Formen, und während diese traditionelle Kunst am häufigsten bei Zeremonien, Festen und Fensterdekorationen verwendet wird, findet sie auch technologische und wissenschaftliche Verwendung in Designs für biomedizinische Geräte, mikro- und nanoelektromechanische Systeme (MEMS/NEMS) und Solar-Arrays.

Kirigami in der Forschung

Vor kurzem hat Dr. Li Jiafang vom Institut für Physik der Akademie (IOP) und sein Team von Forschern der Akademie, des MIT und der South China University of Technology Kirigami eingesetzt, um ein Modell für eine fortschrittliche 3D-Nanofabrikation zu erstellen. Die Forscher ließen sich von einem traditionellen Kirigami-Design namens “Pulling Flower” inspirieren und entwickelten ihre eigene direkte Nanokirigami-Methode, um mit Flachfolien im Nanobereich zu arbeiten.

Das Team veröffentlichte kürzlich ein Papier mit dem Titel “Nano-kirigami with giant optical clarity” in der Zeitschrift Science Advances. Die Akademie, die National Science Foundation of China, das Ministerium für Wissenschaft und Technologie Chinas, der Chinese Scholarship Council und mehrere Stipendien der US-Regierung unterstützten die Studie.

Die Zusammenfassung lautet: “Kirigami ermöglicht eine vielseitige Formtransformation von zweidimensionalen (2D) Vorläufern zu 3D-Architekturen mit vereinfachter Fertigungskomplexität und unkonventionellen Strukturgeometrien. Wir demonstrieren eine Einschritt- und Vor-Ort-Nanokirigami-Methode, die die vorgeschriebenen mehrstufigen Verfahren in traditionellen mesoskopischen Kirigami- oder Origami-Techniken vermeidet. Der Nano-Kirigami wird einfach durch Schneiden und Knicken eines suspendierten Goldfilms mit programmierter Ionenstrahlbestrahlung realisiert. Durch den Einsatz des topographisch geführten Spannungsgleichgewichts wird eine reichhaltige 3D-Formumwandlung wie Knicken, Drehen und Verdrehen von Nanostrukturen erreicht, die durch unsere mechanische Modellierung vorhergesagt werden kann. Dank der nanoskaligen 3D-Dreheigenschaften wird eine riesige optische Chiralität in einer intuitiv gestalteten 3D-Pinwheel-ähnlichen Struktur erreicht, im starken Kontrast zum achiralen 2D-Vorläufer ohne Nanokirigami. Die gezeigten Nanokirigami, wie auch die exotischen 3D-Nanostrukturen, könnten in breite Nanofabrikationsplattformen übernommen werden und neue Möglichkeiten für die Erforschung funktioneller mikro-/nanophotonischer und mechanischer Geräte eröffnen”.

Der Ablauf

Das Team schnitt ein sehr präzises Muster in einen freistehenden Gold-Nanofilm mit einem fokussierten Ionenstrahl (FIB), mit dem später das Nanomuster langsam in eine komplexe 3D-Form gezogen wurde. Während der FIB-Bestrahlung führten sowohl heterogene Vakanzen als auch die implantierten Ionen Zug- und Druckspannungen ein, um diese Zugkräfte im Nanofilm zu induzieren. Das Team war in der Lage, mehrere vielseitige 3D-Formtransformationen in den Nanostrukturen zu erzeugen, wie komplexe Rotation, Abwärtsbeugung, Aufwärtsbeugung und Verdrehung, indem es das topographiegeführte Spannungsgleichgewicht innerhalb des Nanofilms nutzte.

Auch ein theoretisches Modell wurde von den Forschern entwickelt, um die Dynamik bei der Herstellung von Nanokirigami weiter zu erklären. Während sich frühere Studien mehr auf intuitive Designs konzentrierten, wird dieses Modell es anderen Forschern ermöglichen, erfolgreich 3D-Nanogeometrien basierend auf den gewünschten optischen Funktionalitäten zu entwerfen.

Andere funktionelle Versuche zur Herstellung von Kirigami-Geräten konzentrierten sich meist auf die Realisierung mechanischer Funktionen anstelle von optischen und benutzten komplexe sequentielle Verfahren. Aber die neue Methode dieses Teams für Nanokirigami kann mehrere optische Funktionen erfüllen und erfordert nur einen Fertigungsschritt.

Die Forscher machten eine 3D-Struktur, die nicht unähnlich einem Windrad ist, mit riesiger optischer Chiralität, für einen Proof of Concept. Das Nano-Gerät, wie von der Akademie erklärt, konnte eine effiziente Manipulation von “linkshändigem” und “rechtshändigem” zirkular polarisiertem Licht erreichen und zeigte starke einachsige optische Rotationseffekte in Telekommunikationswellenlängen.

Dieser Proof of Concept konnte eine gültige multidisziplinäre Verbindung zwischen den Bereichen Nanomechanik und Nanophotonik aufzeigen, die ein Vorläufer für eine völlig neue Richtung der Kirigami-Forschung sein könnte. Das Konzept des Teams könnte zu breiteren Nanofabrikationsplattformen führen und sogar dazu genutzt werden, komplexe optische Nanostrukturen für Biomedizin, Computing, MEMS/NEMS und Sensorik zu erstellen.