Киригами помогло вырезать из нитрида кремния наноразмерные подвижные «лепестки»

Американские материаловеды научились создавать с помощью техники киригами наноразмерные структуры с изгибающимися элементами. Они обнаружили и описали зависимость поведения этих элементов от параметров выреза, в том числе симметричность их движения. Потенциально результаты можно использовать для создания микроэлектромеханических устройств, рассказывают авторы статьи в Advanced Materials.

Киригами — это метод создания объемных фигур из одного листа бумаги с помощью надрезов и изгибов в нужных местах без использования клея или дополнительных листов. Ученые и инженеры много раз использовали метод в своих разработках, например, для растягивания конструкций без ущерба их свойствам. У фигур киригами есть и другие особенности: в некоторых фигурах из-за надрезов образуются фрагменты, которые могут двигаться при растяжении листа или других воздействиях, например, облучении ионами.

Как правило, в таких статьях авторы используют основные движущие элементы по размеру несопоставимые с толщиной листа. Американские ученые под руководством Орасио Эспиноса (Horacio Espinosa) из Северо-Западного университета и Даниэля Лопеза (Daniel Lopez) из Университета штата Пенсильвания описали метод создания и свойства киригами структур, в которых, в отличие от предыдущих подобных работ, размеры надрезов и ключевых узлов имеют примерно такие же размеры, как и толщина листа. В качестве модельной структуры авторы выбрали схему, состоящую из двух П-образных и двух Т-образных вырезов, расположенных на листе друг напротив друга:

Такая структура состоит только из линейных продольных и перпендикулярных (в плоскости листа) надрезов, поэтому ее достаточно просто создать, используя метод фокусируемого ионного пучка, при котором мощный поток ионов с высокой энергией выбивает атомы из материала и тем самым создает вырез. Ученые использовали напыленные листы из нитрида кремния толщиной 50, 100 и 200 нанометров и размером 100 на 100 микрометров.

Они вырезали несколько структур с фиксированной шириной П-образного выреза в 100 нанометров, толщиной 100 нанометров и шириной петли в 457 нанометров, но переменной шириной центральной части Т-образного выреза, варьирующейся от 243 нанометров до 4,35 микрометра. Поскольку в пластине на момент ее напыления образовались внутренние напряжения величиной 400-500 мегапаскалей, после создания надрезов получившиеся элементы самопроизвольно приходили в движение и поворачивались относительно плоскости. Ученые обнаружили, что образцы поворачиваются разным образом: в тех, у которых толщина выреза была большой, «лепестки» поворачивались симметрично в одну сторону относительно плоскости, а у тех, в которых толщина была наименьшей, они поворачивались асимметрично:

Создав несколько сотен образцов с разной толщиной выреза, авторы подтвердили зависимость поведения «лепестков» от ширины выреза. Применив метод конечных элементов, они также выяснили, что зависимость практически линейна и включает в себя не только ширину выреза, но и ширину петли, соединяющей П-образные и Т-образные вырезы. Кроме того, движение «лепестков» активируется не в любом случае, а только при пороговой толщине пластины: при 100 нанометрах «лепестки» двигаются после вырезания, а при 200 нанометрах уже нет.

Авторы отмечают, что поскольку статья посвящена поведению структур на стыке нанометрового и микрометрового масштаба, результаты могут пригодиться при создании актуаторов в микроэлектромеханических устройствах. К примеру, напряжение в плоскости можно задавать не на этапе создания пластины, а позже, и тем самым управлять движением «лепестков», что можно использовать в микроразмерных захватах и других механических устройствах.

Микроэлектромеханические системы — одна из крупных областей материаловедения и технологий последних лет. Во-первых, потому что это позволяет уместить сложные датчики, например, гироскопы, в небольшом объеме. А во-вторых, потому что это красиво — оценить это можно в нашем материале-галерее «Когда меньше — лучше».

Григорий Копиев