Flocos de neve de papel, livros infantis pop-up e cartões de papel elaborados são do interesse de mais do que apenas artesãos. Uma equipe de engenheiros da Northwestern University está usando ideias tiradas de práticas de dobradura de papel para criar uma alternativa sofisticada à impressão 3-D.

Kirigami vem das palavras japonesas "kiru" (cortar) e "kami" (papel) e é uma forma de arte tradicional em que o papel é cortado com precisão e transformado em um objeto 3-D. Usando filmes finos de material e software para selecionar cortes geométricos exatos, os engenheiros podem criar uma ampla gama de estruturas complexas inspirando-se na prática.

Pesquisar, publicado em 2015, mostrou-se promissor no modelo de fabricação "pop-up" do kirigami. Nesta iteração, as estruturas em forma de fita criadas pelos cortes eram formas abertas, com capacidade limitada de alcançar formas fechadas. Outra pesquisa baseada na mesma inspiração demonstra principalmente que o kirigami pode ser aplicado em uma macroescala com materiais simples como o papel.

Mas uma nova pesquisa publicada hoje (22 de dezembro) na revista Materiais avançados avança o processo um passo adiante.

Horacio Espinosa, professor de engenharia mecânica na McCormick School of Engineering, disse que sua equipe foi capaz de aplicar conceitos de design e kirigami a nanoestruturas. Espinosa liderou a pesquisa e é o professor James N. e Nancy J. Farley em Manufatura e Empreendedorismo.

"Ao combinar a nanofabricação, experimentação de microscopia in situ, e modelagem computacional, desvendamos o rico comportamento das estruturas kirigami e identificamos as condições para seu uso em aplicações práticas, "Disse Espinosa.

Os pesquisadores começam criando estruturas 2-D usando métodos de ponta na fabricação de semicondutores e "cortes kirigami" cuidadosamente colocados em filmes ultrafinos. Instabilidades estruturais induzidas por tensões residuais nos filmes criam estruturas 3-D bem definidas. As estruturas de kirigami projetadas podem ser empregadas em uma série de aplicações que vão desde garras em microescala (por exemplo, seleção de células) a moduladores de luz espacial para controle de fluxo em asas de avião. Esses recursos posicionam a técnica para possíveis aplicações em dispositivos biomédicos, captação de energia, e aeroespacial.

Tipicamente, existe um limite para o número de formas que podem ser criadas por um único motivo kirigami. Mas, usando variações nos cortes, a equipe conseguiu demonstrar a dobra e torção do filme, resultando em uma ampla variedade de formatos - incluindo configurações simétricas e assimétricas. Os pesquisadores demonstraram pela primeira vez que estruturas em microescalas, usando espessuras de filme de algumas dezenas de nanômetros, pode atingir formas 3D incomuns e apresentar funcionalidade mais ampla.

Por exemplo, microtweezers eletrostáticos se fecham, o que pode ser severo em amostras moles. Por contraste, pinças baseadas em kirigami podem ser projetadas para controlar com precisão a força de agarramento ajustando a quantidade de alongamento. Neste e em outros aplicativos, a capacidade de projetar locais de corte e prever o comportamento estrutural com base em simulações de computador elimina a tentativa e erro, economizando dinheiro e tempo no processo.

Conforme sua pesquisa avança, Espinosa diz que sua equipe planeja explorar o grande espaço dos designs de kirigami, incluindo configurações de array, de forma a atingir um maior número de funcionalidades possíveis. Outra área para pesquisas futuras é a incorporação de atuadores distribuídos para implantação e controle de kirigami. Analisando melhor a técnica, a equipe acredita que o kirigami pode ter implicações na arquitetura, engenharia aeroespacial e ambiental.