p Macro-kirigami e nano-kirigami. (A) Imagens da câmera do processo de kirigami de papel de uma cúpula expansível (correspondendo a um kirigami chinês tradicional denominado “flor puxando”). (B) Imagens SEM de um filme de ouro de 80 nm de espessura, um padrão de arco concêntrico 2D e um micródomo 3D. A fresagem de FIB de alta dose corresponde ao processo de "corte", e a irradiação de FIB de baixa dose global da área de amostra (delimitada pela elipse tracejada) corresponde ao processo de “flambagem” em nano-kirigami. A direção da flambagem é para baixo ao longo da direção do incidente FIB (fig. S1G). Um tamanho de recurso 3D de 50 nm é mostrado na inserção. (C a F) Uma hélice de 12 pás e (G a J) um catavento de quatro braços formado em um papel macroscópico e um nanofilme de ouro, respectivamente. Imagens de SEM de vista superior dos padrões 2D fresados antes (D e H) e depois (E e I) da irradiação FIB global da parte superior, respectivamente. (F) e (J) são as vistas laterais de (E) e (I), respectivamente, que estão em boa correspondência com o macro-kirigami em (C) e (G). As linhas tracejadas em (H) e (I) indicam uma conexão entre dois cantos da estrutura central, revelando um ângulo de rotação de ~ 41 ° por nano-kirigami. A fabricação in situ pode ser programada em uma etapa. Barras de escala em imagens SEM, 1 um. Crédito:Liu et al., Sci. Adv . 2018; 4:eaat4436
p Nanokirigami se tornou um campo de pesquisa nos últimos anos; a abordagem é baseada nas artes antigas de origami (fazer formas 3-D dobrando papel) e kirigami (que permite cortar e dobrar), mas aplicado a materiais planos em nanoescala, medido em bilionésimos de um metro. p Agora, pesquisadores do MIT e da China aplicaram, pela primeira vez, essa abordagem à criação de nanodispositivos para manipular a luz, potencialmente abrindo novas possibilidades de pesquisa e, em última análise, a criação de novas comunicações baseadas em luz, detecção, ou dispositivos computacionais.
p Os resultados são descritos hoje no jornal
Avanços da Ciência , em um artigo do professor de engenharia mecânica do MIT, Nicholas X Fang, e cinco outros. Usando métodos baseados na tecnologia de fabricação de microchip padrão, Fang e sua equipe usaram um feixe de íons focalizado para fazer um padrão preciso de fendas em uma folha de metal com apenas algumas dezenas de nanômetros de espessura. O processo faz com que a folha se dobre e se torça em uma forma tridimensional complexa, capaz de filtrar seletivamente a luz com uma polarização particular.
p Tentativas anteriores de criar dispositivos kirigami funcionais usaram métodos de fabricação mais complicados que exigem uma série de etapas dobráveis e visavam principalmente funções mecânicas em vez de ópticas, Fang diz. Os novos nanodispositivos, por contraste, pode ser formado em uma única etapa de dobramento e pode ser usado para executar uma série de funções ópticas diferentes.
p Para esses dispositivos de prova de conceito iniciais, a equipe produziu um equivalente nanomecânico de filtros dicróicos especializados que podem filtrar a luz circularmente polarizada que é "destra" ou "canhota". Para fazer isso, eles criaram um padrão de apenas algumas centenas de nanômetros na fina folha de metal; o resultado se assemelha a lâminas de cata-vento, com uma torção em uma direção que seleciona a torção de luz correspondente.
p A torção e a flexão da folha acontecem por causa de tensões introduzidas pelo mesmo feixe de íons que corta o metal. Ao usar feixes de íons com baixas dosagens, muitas vagas são criadas, e alguns dos íons acabam alojados na estrutura de cristal do metal, empurrando a estrutura para fora da forma e criando tensões fortes que induzem a dobra.
p "Cortamos o material com um feixe de íons em vez de tesouras, escrevendo o feixe de íons focalizado nesta folha de metal com um padrão prescrito, "Fang diz." Então você acaba com esta fita de metal que está se enrugando "no padrão precisamente planejado.
p "É uma conexão muito boa dos dois campos, mecânica e óptica, "Fang diz. A equipe usou padrões helicoidais para separar as porções polarizadas no sentido horário e anti-horário de um feixe de luz, que pode representar "uma nova direção" para a pesquisa nanokirigami, ele diz.
p A técnica é simples o suficiente para, com as equações que a equipe desenvolveu, os pesquisadores agora devem ser capazes de calcular retroativamente a partir de um conjunto desejado de características ópticas e produzir o padrão necessário de fendas e dobras para produzir exatamente esse efeito, Fang diz.
p “Permite uma previsão baseada em funcionalidades ópticas” para criar padrões que alcancem o resultado desejado, ele adiciona. "Anteriormente, as pessoas estavam sempre tentando cortar por intuição "para criar padrões de kirigami para um determinado resultado desejado.
p A pesquisa ainda está em um estágio inicial, Fang aponta, portanto, mais pesquisas serão necessárias sobre as possíveis aplicações. Mas esses dispositivos são ordens de magnitude menores do que as contrapartes convencionais que executam as mesmas funções ópticas, então, esses avanços podem levar a chips ópticos mais complexos para detecção, computação, ou sistemas de comunicação ou dispositivos biomédicos, a equipe diz.
p Por exemplo, Fang diz, dispositivos para medir os níveis de glicose costumam usar medições da polaridade da luz, porque as moléculas de glicose existem em formas destras e canhotas que interagem de maneira diferente com a luz. "Quando você passa luz pela solução, você pode ver a concentração de uma versão da molécula, em oposição à mistura de ambos, "Fang explica, e este método pode permitir muito menor, detectores mais eficientes.
p A polarização circular também é um método usado para permitir que vários feixes de laser viajem através de um cabo de fibra óptica sem interferir uns com os outros. "As pessoas têm procurado esse sistema para sistemas de comunicações ópticas a laser" para separar os feixes em dispositivos chamados isoladores ópticos, Fang diz. "Mostramos que é possível fabricá-los em tamanhos nanométricos."
p A equipe também incluiu o estudante de graduação do MIT Huifeng Du; Zhiguang Liu, Jiafang Li (supervisor do projeto), e Ling Lu na Academia Chinesa de Ciências em Pequim; e Zhi-Yuan Li, da South China University of Technology. O trabalho foi apoiado pelo Programa Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento da China, a Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, e o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.
