Японское искусство киригами, заключающееся в фигурной резке бумаги и изготовлении из неё необычных фигурок, вдохновило исследователей из Мичиганского университета на создание гибкой и растяжимой электроники на основе углеродных нанотрубок. Растяжение нового материала можно увеличить с 4 до 370% без существенного влияния на проводимость.

В поисках способов создания гибких, растяжимых и при этом функциональных проводников американские исследователи обратились к японскому искусству киригами. Напомним, что не так давно «Вести.Наука» писали о том, что

это искусство легло в основу инновационных растягивающихся аккумуляторов. Обычно сжатие нарушает электропроводящие свойства устройства, однако при растяжении проводники снова начинают действовать в полную силу.

Рис. 1. Растяжимый проводник, изготовленный из бумажной сетки.

"Метод киригами подсказал нам, как проектировать деформируемые проводящие листы. Раньше этот процесс был почти недоступен и устройства получались не очень эффективными, – рассказывает один из авторов исследования Николас Котов (Nicholas Kotov). – Когда материалы растягиваются по максимуму, сложно заранее предсказать, когда и где произойдёт разрыв.

Однако наш новый подход позволяет материалу растягиваться и восстанавливаться, оставаясь по-прежнему работоспособным".

Новая концепция, на первый взгляд, кажется достаточно простой, однако инженеры только сейчас пришли к такому решению проблемы. Первый прототип проводника-киригами был создан с помощью бумаги, покрытой углеродными нанотрубками. Конструкция была предельно простой и внешне напоминала кухонную тёрку.

Далее команда соорудила другой прототип в стеклянной колбе, заполненной газом аргоном. Напряжение на электродах генерировало электрическое поле, которое заставляло аргон ионизироваться и излучать свет. В этом случае растяжение в 200% никак не влияло на процесс.

(Котов объясняет, что по тому же принципу в будущем будут контролироваться пиксели растяжимого плазменного дисплея.)

Рис. 2. Исследователи, разработавшие сетчатую структуру из материала на основе углеродных нанотрубок.

Инженеры пытались понять, как именно разрезы в разных местах пласта материала влияют на способность проводника к растяжению без потерь функциональности. Для этого учёным пришлось обратиться к компьютерному моделированию. Оно помогло учёным узнать, чего можно ожидать от гибких элементов различных форм. Затем, также с помощью моделирования, исследователи изучили влияние различных переменных на растяжимость материала (в частности, длины и кривизны разрезов и расстояния между ними).

Рис. 3. Бумажная модель, вдохновившая ученых на создание проводника.

Для получения микроскопического проводника-киригами доцент в области материаловедения и инженерии Терри Шью (Terry Shyu) изготовила специальную «бумагу» из оксида графена — материала, состоящего из углерода и кислорода толщиной в один атом. Она проложила его гибким пластиком, создав около трёх десятков слоёв.

Самым сложным в процессе, по её словам, было нанесение крошечных разрезов, длина которых была около нескольких десятых миллиметра.

Рис. 4. Сотрудники Мичиганского университета демонстрируют способность материала растягиваться.

Для этого высокотехнологичную «бумагу» покрыли материалом, удалить который можно с помощью лазерного света. Затем Шью «вытравила» лазером на покрытии необходимый рисунок, а потом при помощи потока ионов кислорода и электронов создала нужные разрезы по маске покрытия.

В итоге получился материал, который повёл себя согласно прогнозам моделей. Он растягивался без дополнительных потерь в проводимости.

Рис. 5. Микромасштабный узор киригами у нанокомпозита.

Возможно, в недалёком будущем люди, благодаря этой технологии, смогут погнуть свой смартфон, и это будет считаться достоинством техники, а не его дефектом.

Подробности исследования были опубликованы в издании Nature Materials.