剪紙藝術可以將紙張剪成復雜的圖案,比如雪花。美國康奈爾大學的物理學家也變身成為剪紙藝人,不過,他們手中的“紙張”是只有一個原子厚的石墨烯,他們剪出來的可能是世界上最小的機器。康奈爾大學卡夫利納米尺度科學研究所所長保羅·麥克尤恩帶領的研究團隊在發(fā)表于最新的《自然》雜志的論文中,展示了如何將只有10微米厚的石墨烯(人的頭發(fā)大約是70微米厚)裁剪、折疊、扭轉和彎曲成多種造型,從而使剪紙藝術擴展到了納米級。
在這樣的微觀尺度上,石墨烯以及其他超薄材料會變得非常黏。因此,研究人員使用了一個慣常的小伎倆,使其更容易操縱:將石墨烯懸浮在加入表面活性劑的水中,就像滑滑的肥皂水一樣。他們制造了一個金拉環(huán)作為“手柄”,以便能夠抓住剪出造型后的石墨烯的末端。此外,研究人員還借來激光切割機,按照設計建立紙模型,然后再用石墨烯將其制造出來。
他們用一張石墨烯薄片造出了一個柔軟彈簧,其工作方式就像一個非常靈活的晶體管。麥克尤恩說,拉開這種彈簧所需的力,與一個動力蛋白可能產(chǎn)生的力相當。這項實驗進入了生物力學范疇,為納米級彈性器件的應用打開了思路,如可以將其作為傳感器放置在人體細胞附近或在大腦中。
研究人員還演示了如何將石墨烯彎曲成簡單的鉸鏈設計,并量化了所需的力。他們發(fā)現(xiàn),打開和關閉鉸鏈10000次,它仍然完全完好,伸縮自如,這對于納米尺度的可折疊機器和設備來說可能是個有用的特性?的螤柎髮W一個相關的研究小組已經(jīng)獲得了美國國防部的資助,采用這項研究所展示的部分剪紙理論,圍繞類似于石墨烯一樣的柔性材料繼續(xù)進行技術開發(fā)。