Nanokirigami son birkaç yılda araştırma alanı olarak ortaya çıktı. Nanokirigami; eski bir sanat olan origami*ye dayanır. Ayrıca kirigami* sanatından da yararlanılır. Fakat nano ölçekteki düz malzemelere; bir metrenin milyarda biri şeklinde ölçeklenir.
*Origami: Kağıt katlayarak 3-D şekiller oluşturan sanat.
*Kirigami: Kesme işleminin de kullanıldığı kağıt katlama sanatına verilen addır.
MIT ve Çin’deki araştırmacılar, ilk kez bu yaklaşımda; ışığı manipüle etmek için nano cihazlar oluşturma, potansiyel olarak araştırma için yeni olasılıklar açma ve sonuçta yeni ışık tabanlı iletişim, tespit veya hesaplama cihazlarının oluşturulmasına başvurdular.
Bulgular; Science Advances Dergisi’nde, MIT Makine Mühendisi Nicholas X Fang ve diğer beş araştırmacı tarafından bir makalede anlatılmıştır.
Standart mikroçip üretim teknolojisine dayanan yöntemlerle Fang ve ekibi; metal folyoda sadece birkaç on nanometre kalınlığında hassas bir kesik modeli yapmak için odaklanmış bir iyon demeti kullandılar. İşlem; folyonun, ışığı belirli bir polarizasyonla seçici olarak filtreleyebilen, kıvrılarak karmaşık üç boyutlu bir şekle bürünmesine neden olur.
Daha önce fonksiyonel kirigami cihazları oluşturma çalışmalarında; bir dizi katlama adımı gerektiren ve öncelikli olarak optik fonksiyonlardan ziyade mekanik amaçlanan daha karmaşık imalat yöntemleri kullanıldı. Buna karşılık yeni nano-cihazlar, tek bir katlama adımında oluşturulabilir ve çeşitli farklı optik fonksiyonları gerçekleştirmek için kullanılabilir.
Ekip, bu ilk fikirleri kanıtlamada cihazlar için; “sağ elle” veya “sol elle” olan dairesel polarize ışığı filtreleyebilen özelleşmiş dikroik filtrelerin (çift renkli) nanomekanik bir eşdeğerini üretti. Bunu yapmak için ince metal folyoda sadece birkaç yüz nanometre bir desen oluşturdular. Sonuç, döner bıçaklarını andıran, bir yöne karşılık gelen bir ışık bükülmesinin seçilmiş olması…
Folyonun kıvrılıp bükülmesi; metalden geçen aynı iyon demeti tarafından ortaya çıkarılan gerilmelerden kaynaklanır. Düşük dozlarda iyon ışınları kullanıldığında; birçok boşluk oluşur ve iyonların bir kısmı metalin kristal örgüsüne gömülür. Kafesin şeklini dışa doğru iter ve bükülmeyi indükleyen güçlü gerilmeler oluşturur.
Fang: “Malzemeyi makas yerine bir iyon demeti ile kesiyoruz, odaklanmış iyon demetini bu metal sacın üzerine önceden belirlenmiş bir desenle yazıyoruz. Böylece kesin olarak planlanan modelde kıvrılan bu metal şeritle sonuçlandırıyoruz.
Bu iki alan, mekaniğin ve optiklerin çok güzel bir bağlantısı oldu. Ekip, nanokirigami araştırması için ‘yepyeni bir yön’ oluşturabilecek bir ışık huzmesinin saat yönünde ve saat yönünün tersine polarize kısımlarını ayırarak, sarmal desenler kullandı.
Ekibin geliştirdiği denklemlerle, araştırmacıların artık; istenen optik özellikler kümesinden geriye doğru hesaplayabilmeleri ve sadece bu etkiyi üretmek için gerekli kıvrık modeli üretebilmeleri için yeterince basit bir yöntem.
İstenilen sonuca ulaşan desenler yaratmak için, optik işlevselliklere dayalı bir tahmin yapmaya izin veriyor.”
Araştırma hala erken bir aşamada, bu yüzden olası uygulamalara daha fazla araştırma yapılması gerekecek. Ancak bu cihazlar; aynı optik fonksiyonları yerine getiren geleneksel muadillerinden daha küçük ölçekteki düzenlerdir. Bu yüzden bu ilerlemeler; algılama, hesaplama veya iletişim sistemleri veya biyomedikal cihazlar için daha karmaşık optik yongalara yol açabilir.
Örneğin, Fang, glikoz seviyelerini ölçen cihazların genellikle ışık polaritesinin ölçümlerini kullandığını, çünkü glikoz moleküllerinin hem ışık hem de sol elli formlarda, ışıkla farklı şekilde etkileşimde bulunduğunu söylüyor. Bu yöntem çok daha küçük, daha verimli dedektörler için izin verebilir.
Dairesel polarizasyon, aynı zamanda, birden fazla lazer ışınının; bir diğerine müdahale etmeden bir fiber optik kablodan geçmesine izin vermek için kullanılan bir yöntemdir.
Fang: “İnsanlar optik izolatörler olarak adlandırılan cihazlarda ışınları ayırmak ve lazer optik iletişim sistemleri için böyle bir sistem arıyorlar. Onları nanometre boyutlarında yapmanın mümkün olduğunu gösterdik.”
