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Jun. 21 2017

全世界最纖薄的摺紙,你一定沒見過

  • 全世界最纖薄的摺紙,你一定沒見過

    全世界最纖薄的摺紙,你一定沒見過

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摺紙折到身體裡

三十年前,一位日本教授、一架顯微鏡,與一根縫衣針,折出了比大頭針針尖還小的紙鶴。

三十年後,來自紐約州伊薩卡(Ithaca)康乃爾大學的研究人員們更上層樓,「折」出了紅血球大小的折「紙」作品。

把摺紙縮小再縮小

雖然繼承了傳統摺紙的形式,但這個新作品並不是真的用紙做的,而是用僅有幾個原子厚的玻璃和碳薄片,自行折疊形成的。是的,它太小巧了,根本無法用人手操作,只能靠自己折疊自己。

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石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型蜂巢晶格狀的平面薄膜,是只有一個碳原子厚度的二維材料。圖源:wikipedia.org

電子顯微鏡下的石墨烯薄片。圖源:wikipedia.org

「這是世界上最薄的折『紙』作品,它的大小可以跟微生物組織相提並論。」康乃爾大學伊泰·科恩(Itai Cohen)應用物理實驗室的博士後馬克·米斯金(Marc Miskin )說。3月14日,他在美國物理協會於紐奧良舉辦的會議上介紹了自己最新研究做出的「摺紙」作品。

這種微折疊結構具有像立方體或者金字塔這樣的簡單形狀,不像紙鶴那麼優雅和復雜。但是它們可以再進一步,組合成微型機械,把自己折疊成一個個足夠小的包裹,通過注射直接進入人體內部。

伊泰·科恩講解紙模型的結構和力學特點。圖源:http://cohengroup.lassp.cornell.edu

「這個方法的應用前景非常可觀,可以用來將機器人送入人體內完成任務。來自位於波士頓的東北大學的工程師撒母耳·費爾頓(Samuel Felton)對此很樂觀,雖然,塞繆爾並沒有參與這項新的研究,他研究的,是製造正常大小的折疊機器人。

剪紙藝術同樣帶來了靈感

自折疊「摺紙」並不是康乃爾首次從日本藝術中汲取靈感。在這個新項目中與米斯金一起共事的保羅·邁克約恩(Paul McEuen)——一位專攻「一切微小的東西」的科學家——就一直在研究剪紙藝術。

裡面的菱形竟然在旋轉?!圖源:youtube

剪紙既包括剪紙也包括摺紙。運用了剪紙工藝的賀卡可以在打開時呈現出精美的圖樣。邁克約恩的實驗室還找到了如何在石墨烯(單層碳原子)上裁剪簡單圖樣的方法。當受到拉伸的時候,人工剪開的石墨烯可以像手風琴的風箱那樣,拉出彈簧一樣的結構。

石墨烯像手風琴一樣被拉開了。圖源:www.grapheneentrepreneur.com

更複雜的自折疊,更廣闊的應用

為了讓石墨烯自己折疊,米斯金和他的同事在石墨烯上面附著了一層矽。矽是海邊白色沙灘的主要成分。這種附著著矽的石墨烯薄片只有幾原子的厚度,當它沉入水中的時候會展平。

顯微鏡下的石英沙子,主要成分為二氧化矽。圖源:cicinnus.com

加了酸之後,矽受酸分子擠壓,會試圖收縮,但是石墨烯很硬,會阻止矽分子彎曲。這時如果在石墨烯上劃出一道裂縫,矽就可以像門上的合頁一樣工作,就像是在折疊一張紙。於是就變成了一種會在酸性環境中折疊起來,在鹼性環境中展平開來的新材料。

康乃爾的團隊在很多地方都展示過這種材料。不同的「剪紙」花紋就能讓這種石墨烯––矽材料折疊出不同的3D形狀。「給我們任意一個能單向折疊出來的形狀,我們都可以造出來一個迷你版。」 康乃爾的研究生巴里斯·布里坎( Baris Bircan)說。

也許以後,這些摺紙小企鵝會在人體內工作。圖源:folders.jp

碳原子形成的3D形狀可能對製造微小電子器件也非常有用,因為石墨可以導電。

想像一個折疊而成的立方體,它的每一面都可以安裝不同的元件——一面裝上微型CPU,一面裝上傳感器。所有這些器件全部通過石墨烯表面的電流相互聯通。

想像一下,這樣的一個微型器械,可以注射進我們的身體,在設計地點自動展開,釋放出搭載的設備器材,與我們的細胞協同工作……米斯金的團隊已經更進一步,成功的把能夠印刷電路的塑料基板貼在了碳矽折疊結構上。不過,離真正實現這樣的機器人,還有很長的路要走。

麻省理工學院研究的一款自折疊機器人,在加熱時自折疊,並帶有一塊磁鐵,通過磁場進行行走。圖源:youtube.com Massachusetts Institute of Technology

研究人員還想構造出更複雜的形狀,但是他們的碳矽層只能單向折疊,這就限制了折疊能夠達到的複雜程度。為了尋求更加靈活的材料,布里坎在實驗一種經常用於鏡片塗層的材料,二氧化鉿。

類似矽,二氧化鉿也可以折疊;但與硅不同,二氧化鉿是在鹼性環境裡面折疊。把二氧化鉿與硅「貼」在一起,這樣的複合材料就可以在酸性溶液中向一個方向折疊,在鹼性環境中向另一個方向折疊。

顯然,對於想製造一個超迷你起重機的研究員們來說,可以向兩個方向轉動的合頁,至關重要。

努力爬行的氧化石墨烯紙片……看起來竟然有點萌萌的。圖片來源:www.sciencemag.org

中國科學家同樣在此領域進行了研究探索,以上圖片是東華大學纖維材料改性國家重點實驗室的成果,在溫度或光的控制下,這種微米厚的氧化石墨烯紙可以爬行、折疊甚至抓取物品。

 

本文由美國物理聯合會張錚錚供稿

編譯來源:insidescience.org, World’s Thinnest Origami Could Build Microscopic Machines

撰文:Devin Powell

編譯:莘莘

編輯:明天

本文來源於果殼網(微信公眾號:Guokr42),這是一個開放、多元的泛科技主題網站,提供負責任、有智趣的科技主題內容,歡迎關注他們。如需轉載請直接聯繫media@guokr.co

 

 

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