 Порез или разрыв в материале, как правило, является признаком его слабости. Поэтому ученые создали сложные трехмерные микро- и наноструктуры из кремния и других материалов, найденные в передовых технологиях, с использованием нового метода сборки, который использует разрезы в качестве преимущества.
Метод «киригами» основан на «всплывающей» технологии изготовления - перехода от двумерного материала к трехмерному за одно мгновение, подобно всплывающей детской книге. Являясь инновационным первым шагом, эти ленточные структуры привели к открытым сетям, с ограниченной возможностью достижения замкнутой формы фигуры или поддержки пространственно распределенных устройств.
В своей новой работе, исследовательская группа решила эту проблему, заимствуя идеи из киригами, древней японской техники формирования бумажных структур путем их складывания и резки.
Начиная с двумерных структур, образованных с помощью современных методов производства полупроводников, и осторожно накладывая разрезы «киригами», исследователи создали более 50 различных преимущественно закрытых трехмерных структур, которые, в теории, могут содержать элементы или передовые электронные или оптоэлектронные устройства. Такие возможности позволяют использовать подобный метод в тканевой инженерии и промышленных приложениях, таких как биомедицинские устройства, хранение энергии, и микроэлектромеханические системы.
Разрезы в материал, как правило, приводят к отказу, но в данном случае они позволяют производить сложные трехмерные формы. Эта уникальный технология трехмерного изготовления может быть использована другими исследователями для своих собственных творений и приложений.
Данный подход предлагает замечательную гибкость в преобразовании двумерных структур, использующихся в наиболее развитых формах электроники и фотоники, в трехмерные структуры. Исследователи успешно создали набор правил и методов проектирования для манипулирования листами, лентами и пластинами, и контролирования их поведения в трехмерном пространстве.
Исследовательская группа создала трехмерные структуры из таких материалов, как кремний, полимеры, металлы и диэлектрики. Некоторые структуры сочетают ряд таких материалов, как золото и полупроводники, в том числе модели, которые обеспечивают полезные оптические свойства.
Техника «киригами» подходит для массового производства, и разнообразие материалов, которыми можно манипулировать, иллюстрирует ее полезность в 3D печати, которая, как правило, работает только с полимерами. Метод «киригами» также является быстрым, в то время как 3D печать является медленной.
Исследователи начали с плоского материала, приклеенного в определенных местах к растянутой подложке. Они стратегически сделали «надрезы» в материале таким образом, что, когда участок будет освобожден и поверхность станет «всплывать» в трех измерениях, все физические нагрузки от нового 3D формы выйдут через разрезы, защищая структуру от разрушения. Надрезы сделаны как раз в тех местах, где обычные нагрузи будет сосредоточен.
Эти «разрезы не производятся физически в материале. Вместо этого, методы, основанные на производстве компьютерных чипов, позволяют эти особенностям быть определенными в материале с чрезвычайно высоким инженерным контролем.
Размеры трехмерных структур имеют диапазон от 100 нм до 3 кв. сантиметров, а сами разрезы действительно являются крошечными: обычно между 1 мкм и 10 мкм в ширину для кремниевых трехмерных структур - достаточно малые, чтобы взаимодействовать непосредственно с элементами или манипулировать компонентами микроэлектроники.
Исследователи успешно предсказали с помощью компьютерного моделирования двумерную форму и разрезы, необходимое для производства фактической трехмерной структуру. Возможность составлять прогнозы исключает затраты на времени и методы проб и ошибок.
Исследователи также могут обратимо настроить оптические свойства их структур посредством механического растяжения после того, как они образуются. Они продемонстрировали простой оптический затвор на основе массивов вращающихся микропластин, работающих подобно жалюзи на окнах.
|
