Cuando estudiaba una carrera en bellas artes hace 15 años, Matthew Shlian nunca imaginó que algún día sería coautor de artículos de investigación científica sobre nanoingeniería y energía solar. Pero, a principios de este año, el artista y diseñador radicado en Ann Arbor lo logró.

Una colaboración entre Shlian y colegas de ingeniería de la Universidad de Michigan está dando frutos en forma de tecnología inspirada en el arte del corte de papel conocido como kirigami. El trabajo en Michigan ejemplifica cómo algunas investigaciones tecnológicas de vanguardia han sido moldeadas por esta antigua técnica artesanal.

En esencia, el kirigami es una variante del origami, el arte de doblar papel. Las palabras provienen del japonés: kiru (cortar), oru (doblar) y kami (papel). El corte y doblado de papel para crear objetos ceremoniales o decorativos se remonta a siglos atrás tanto en Asia como en Europa. La noción moderna del origami como arte y manualidad recreativa (y que evita los cortes en su forma más pura) se consolidó en el siglo pasado.

El origami estándar comienza con una hoja de papel impecable, generalmente cuadrada, y procede únicamente mediante pliegues: no se permiten cortes ni pegamento. En cambio, el kirigami se basa tanto en cortes como en dobleces. Los diseños van desde decoraciones planas y simétricas, como copos de nieve escolares, hasta patrones elaborados que forman modelos tridimensionales similares a los de los libros desplegables (pop-up). (Al comienzo de su carrera como escultor en papel, Shlian trabajó en libros pop-up, entre otros proyectos).

Haciendo el corte

¿Por qué este arte de baja tecnología ha encontrado un lugar en la ciencia y la tecnología? Una de sus ventajas es la capacidad de convertir materiales bidimensionales en estructuras tridimensionales simplemente añadiendo cortes y dobleces. Por ejemplo, John A. Rogers, de la Universidad de Illinois en Urbana–Champaign, y sus colaboradores, han demostrado cómo las membranas pueden diseñarse para formar estructuras 3D predecibles a escalas que van desde la nano hasta la mesoescala.

El grupo utilizó técnicas litográficas para construir membranas de silicio, metal y polímero (en diversas combinaciones), con geometrías y patrones de corte específicos. Cada unidad plana se ancla en varios puntos a un sustrato de elastómero estirado. Cuando se libera la tensión, el sustrato se contrae, acercando esos puntos de anclaje, como si alguien empujara las esquinas de una hoja de papel; las membranas precortadas se doblan fuera del plano. Los cortes tipo kirigami ayudan a determinar la forma final en 3D y a aliviar tensiones que, de otro modo, podrían fracturar el material. Los investigadores están interesados en estas estructuras para aplicaciones como la optoelectrónica y los dispositivos biomédicos nanoestructurados.

Las estructuras kirigami también aportan elasticidad. Por ejemplo, Hanqing Jiang, de la Universidad Estatal de Arizona, y sus colegas desarrollaron baterías de ion-litio que se cortan y doblan en una cadena flexible, que puede usarse como una pulsera elástica para alimentar tecnología portátil. El kirigami puede hacer que una hoja de papel sea estirable, como un resorte, simplemente añadiendo cortes paralelos que la dividen en una matriz de tiras delgadas con conexiones cruzadas cortas. Al tirar del papel perpendicularmente a los cortes, estos se abren y permiten que la hoja se estire, mientras las tiras se curvan en una disposición ondulada inclinada. A extensiones mayores, el resultado se parece más a una red de pescar que a una hoja de papel. Paul McEuen, Melina Blees y colegas de la Universidad de Cornell construyeron una versión de esta estructura elástica con grafeno, las láminas de carbono de un solo átomo de espesor que los nanotecnólogos estudian para numerosas aplicaciones. El grupo de McEuen también midió la rigidez al doblado de láminas de grafeno de tamaño micrométrico y obtuvo valores que demuestran que el grafeno es tan adecuado para el kirigami como el papel común.

Colaboración creativa

Shlian comenzó a interactuar con científicos e ingenieros en Michigan en 2006, tras terminar su maestría en bellas artes en la Academia de Arte Cranbrook en Bloomfield, Michigan. “Mi trabajo se inclinaba más hacia el diseño,” comenta, “y la gente veía principios científicos y arquitectónicos en lo que hacía.” Con la esperanza de iniciar colaboraciones, envió una carta y un DVD con su trabajo a unos 50 profesores de la Universidad de Michigan. Una de las respuestas lo llevó a reunirse con Max Shtein, profesor asociado de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y poco después estaban enseñando juntos un curso de pregrado sobre resolución de problemas y visualización científica a estudiantes de arte, ingeniería y arquitectura. Shlian se convirtió en artista residente del departamento de ciencia de materiales y también en profesor en la Escuela de Arte y Diseño.

Cinco años más tarde, surgió otra oportunidad de colaboración cuando la Fundación Nacional de Ciencia (NSF) solicitó propuestas sobre diseño de origami para ingeniería, como parte del programa de Fronteras Emergentes en Investigación e Innovación. Shtein es el investigador principal de una beca de cuatro años; los coinvestigadores incluyen a los científicos de materiales Sharon Glotzer y Nicholas Kotov, de la Universidad de Michigan, cuyo enfoque ha incluido nanocompuestos elásticos de kirigami. Esta colaboración ha llevado al desarrollo de un mecanismo innovador para ayudar a los paneles solares a seguir el movimiento del sol, utilizando una versión macroscópica del mismo patrón de cortes que el kirigami elástico de grafeno de McEuen. Shtein concibió por primera vez la aplicación de seguimiento al ver a Shlian demostrar tiras de papel retorcidas y giratorias con ese patrón de kirigami.

Para construir el sistema de seguimiento kirigami, el equipo de Shtein unió células fotovoltaicas de cristal delgado y flexible de arseniuro de galio a una hoja de polímero y luego recortó el patrón kirigami. Las tiras resultantes pueden ajustarse a un ángulo óptimo para maximizar la exposición solar estirando la hoja completa mientras se mantiene dentro de una estructura de vidrio relativamente plana, evitando así la necesidad de inclinar todo el panel. Sin embargo, el sistema aún está lejos de estar listo para su comercialización. El diseño actual, asumiendo ciclos diarios de movimiento, solo ha demostrado funcionar por aproximadamente un año. Además, los modelos demostrados son pequeños; el rendimiento mecánico de láminas más grandes requiere más estudio.

El arte no solo ha influenciado a la ciencia; la ciencia también ha influenciado el arte de Shlian. Uno de sus proyectos consistió en trabajar con el profesor de ciencias biológicas Daniel Klionsky, de la Universidad de Michigan, para crear modelos de papel que ayuden a ilustrar procesos relacionados con membranas de doble capa en estructuras celulares llamadas autofagosomas. Con una serie de cortes y dobleces en una hoja de papel, Shlian creó una forma tridimensional a partir de una superficie bidimensional. “Eso es algo con lo que he trabajado durante años,” dice Shlian, “pero verlo desde una perspectiva científica cambia algunos parámetros. Algunas cosas tienen que doblarse solo hasta ciertos puntos, o tal vez tienen que rotar de cierta manera, y esas son limitaciones interesantes con las que desafiarse artísticamente.”

Las incursiones interdisciplinarias de Shlian lo han ayudado a apreciar las actividades y motivaciones de los científicos. En la escuela, pensaba que la ciencia era mecánica y basada en reglas estrictas. “Te das cuenta de que no es así con este trabajo de vanguardia,” dice. “Los científicos son tan curiosos como los artistas; se entusiasman tanto como nosotros con las cosas nuevas.”

Fuente de texto e imágenes: https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1523311113

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