Техника киригами помогла создать из графена пружину и шарнир

Физики из Корнелльского университета установили, что число Фёппля-фон Кармана для графена близко по своим значениям обычной бумаге, а, следовательно, из него можно сворачивать наномерные объемные фигурки и вырезать гибкие детали. Ученые подтвердили свои теоретические выкладки, применив технику киригами и вырезав из графена растягивающуюся пружину и шарнир. Работа опубликована в журнале Nature.

Число Фёппля-фон Кармана отражает соотношение между жесткостью материала на изгиб и на растяжение. Чем оно больше, тем материал легче изгибается, но тяжелее растягивается. Это число является ключевым параметром, определяющим возможность применения техники киригами к материалу. 

Чтобы определить число Фёппля-фон Кармана для графена ученые измеряли жесткость монослоев углерода разного размера (от 10 до 100 микрон) при сгибе. Выяснилось, что оно в тысячи раз превосходит ранее предсказанные значения.

Далее исследователи поместили монослой графена размером 10 микрон в воду, куда были добавлены специальные реагенты. Это позволило сделать графен более скользким, так как в обычных условиях он довольно липкий и механические манипуляции с ним затруднены.

Затем, используя высокоточный лазерный инструмент, ученые вырезали из графена гибкую пружину. К ее концам приделали золотые «ручки», позволяющие с помощью иглы растягивать и сжимать пружину. По словам исследователей, чтобы привести пружину в движение достаточно усилия одной мышечной клетки.

Помимо пружины, физики также изготовили шарнир, который «открывали» и «закрывали» 10 000 раз. Даже после такого стресс-теста шарнир сохранял прочность и эластичность.

Проведенные эксперименты показывают, что графен может использоваться для производства достаточно жестких, сохраняющих свою форму, но в тоже время гибких наномерных механических структур, с тонко настраиваемые свойствами. По словам одного из авторов работы, Пола МакЮэна, это открывает широкие перспективы для инкорпорирования гибких микроскопических устройств внутрь живых тканей, вокруг мышечных волокон или нейронов головного мозга.

Киригами (от японских слов «кири» — резать, рубить и «гами» — бумага) — искусство создания фигурок и узоров из бумаги с помощью надрезов ножницами. Его автором считается Масахиро Чатани, впервые применивший эту технику в 1980 году.