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Kirigami, el arte milenario de cortar papel, inspira futuro de los electrónicos

El milenario arte de cortar papel podría dar paso a una nueva era de electrónicos flexibles, de acuerdo con un artista e ingenieros de la Universidad de Michigan.

La clave para teléfonos flexibles y electrónicos que se pueden enrollar o plegar son conductores flexibles o ‘estirables’ que forman componentes como cables y electrodos. Este tipo de conductores son difíciles de diseñar, ya que o bien no son muy flexibles o cuando lo son la conductividad sufre las consecuencias.

En los conductores inspirados en kirigami, el arte japonés de corte de papel, la conductividad es sacrificada desde el principio ya que los recortes se convierten en barreras para la conductividad eléctrica, pero cuando se estira, los conductores nuevamente funcionan adecuadamente.

“El método kirigami nos permite diseñar la deformabilidad de las hojas conductoras, mientras que antes era proceso muy estilo Edison con un montón de fallas y no un montón de éxitos”, dijo Nicholas Kotov, el profesor de Ingeniería Joseph B. y Florencia V. Cejka, en referencia al enfoque de ensayo y error de Thomas Edison.

Esto se debe a que cuando los materiales se estiran al máximo, es difícil predecir cuándo y dónde se romperán. Sin embargo, si las ‘roturas’ son diseñadas, la capacidad del material para estirar y recuperarse se hace fiable.

Suena simple, pero que el arte y la ingeniería se unieron a este proyecto, nadie había utilizado kirigami para afrontar el reto de conductores flexibles. Los resultados se presentan en la última edición de Nature Materials.

Matt Shlian, artista y profesor de la Escuela Stamps de Arte y Diseño, inspiró el trabajo con una hoja de papel cortada para convertirse, cuando se estira, en una malla de espiga.

Los ingenieros querían entender exactamente cómo las opciones de diseño afectan el comportamiento del conductor flexible, por lo que Sharon Glotzer, el profesor Stuart W. Churchill de Ingeniería Química, y su grupo de investigación, realizó simulaciones por ordenador.

“Al principio, la simulación por ordenador nos dio la intuición sobre qué tipos de comportamientos eran de esperar de diferentes patrones de corte”, dijo Pablo Damasceno, quien recientemente obtuvo su doctorado en física aplicada.

Entonces, el equipo de simulación exploró cómo detalles como la longitud y la curvatura de los recortes, y la separación entre ellos, se relacionaba con la elasticidad del material.

Para producir el kirigami microscópico, Terry Shyu, una estudiante de doctorado en ciencia de materiales e ingeniería, hizo “papel” especial de óxido de grafeno, un material compuesto de carbono y oxígeno sólo un átomo de espesor. Las puso en capas con un plástico flexible de hasta 30 capas de cada uno.

La parte difícil, explicó, estaba haciendo los recortes a sólo unas décimas de milímetro de largo.

En el edificio Lurie de Nanofabricación, le puso una capa de un material que puede ser quitado con luz láser al papel de alta tecnología. Quemó los guiones de ese material, que lo convirtió en una máscara para el proceso de grabado.

Un plasma de iones de oxígeno y electrones se rompió el “papel” que no estaba oculto bajo la máscara, creando filas de guiones microscópicas. Este material se comportó según lo predicho por las simulaciones, que se extiende sin costo adicional en la conductividad.

Kotov es también profesor de ingeniería química, ingeniería biomédica, ciencia de los materiales y la ciencia e ingeniería macromolecular. Glotzer es también profesor de ciencia de los materiales, ciencia e ingeniería macromolecular, y física aplicada.

El estudio fue financiado por la National Science Foundation.