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cyqdesign

2018-07-12 21:51

納米剪紙技術(shù)與三維光學超手征體研究取得進展

剪紙作為中國最古老的傳統(tǒng)藝術(shù)之一，已有上千年的歷史，被廣泛應(yīng)用在各類窗花、賀卡、儀式和節(jié)日所用的裝飾中。但正如中國很多傳統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展歷程一樣，早期的人們并沒有關(guān)注到剪紙技術(shù)中的科學思想。反而是中國紙文化在公元6世紀傳播到日本之后，剪紙方法得到了詳細記錄并不斷積累和發(fā)展。因此，現(xiàn)代科學中“剪紙”的英譯詞“kirigami”實際上出自于日語（命名于1962年，kiri意為“剪”，gami意為“紙”），導致很多學者認為剪紙藝術(shù)起源于日本，盡管中國出土的文物“北朝對馬團花剪紙”早已形成于公元386-581年期間。與剪紙相對應(yīng)的還有我們熟知的折紙藝術(shù)的英文名稱“origami”，同樣來源于日語（ori意為“折”）。

　　近年來，剪紙和折紙技術(shù)在科學界得到了廣泛的重視，包括美國哈佛大學、麻省理工學院、西北大學在內(nèi)的許多著名研究團隊都進行了專門的研究，這是由于看似簡單的剪紙和折紙技術(shù)中其實蘊涵著深邃的科學思想。例如常見的立體剪紙賀卡就包含了從二維平面結(jié)構(gòu)到三維立體結(jié)構(gòu)的形變科學，其衍生出來的立體幾何變換知識非常豐富，一個顯著的特征是結(jié)構(gòu)所占空間大小在形變過程中發(fā)生了幾個數(shù)量級的變化，而驅(qū)動這一變化所需要的能量設(shè)計又十分巧妙。因此，結(jié)合當代材料和制造領(lǐng)域的巨大進步，剪紙和折紙技術(shù)在很多領(lǐng)域得到發(fā)展，包括外太空飛行器的太陽能帆板折疊技術(shù)，微納機電系統(tǒng)（MEMS/NEMS），形變建筑學，性能特異的機械、生物和光學器件，乃至DNA納米剪裁和折疊技術(shù)。

　　最近，針對國家在三維納米制造領(lǐng)域的重大需求，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理實驗室L01組博士李家方負責發(fā)起了一個探索納米剪紙技術(shù)的國際合作團隊，包括物理所博士生劉之光、麻省理工學院博士生杜匯豐和教授方絢萊（Nicholas X. Fang）、華南理工大學教授李志遠和物理所研究員陸凌。該團隊從中國傳統(tǒng)的“拉花剪紙”中獲得靈感，首次實現(xiàn)了納米尺度的片上原位剪紙技術(shù)，制備了形貌特異的三維納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了通信波段光學超手征體的構(gòu)建。該項研究成果以Nano-kirigami with giant optical chirality 為題于7月6日發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）雜志上。

　　在該研究工作中，劉之光和李家方采用高劑量的聚焦離子束（FIB）作為“剪裁”手段，利用低劑量全局幀掃描的FIB作為“形變”手段，實現(xiàn)了懸空金納米薄膜從二維平面到三維立體結(jié)構(gòu)的原位變換，加工的三維金屬結(jié)構(gòu)分辨率在50nm以下，約為頭發(fā)絲直徑的兩千分之一。其基本原理是利用FIB輻照金膜時，薄膜內(nèi)產(chǎn)生的缺陷和注入的鎵離子分別誘導不同類型的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在自身形貌的智能導向下通過閉環(huán)形變達到新的力學平衡態(tài)。因此通過設(shè)計不同的初始二維圖案，可以在同樣的掃描條件下分別實現(xiàn)向下或向上的彎折、旋轉(zhuǎn)、扭曲等立體結(jié)構(gòu)形變。該方法突破了傳統(tǒng)自下而上（bottom-up）、自上而下（top-down）、自組裝等納米加工方法在幾何形貌方面的局限，是一種新型的三維納米制造技術(shù)。在陸凌的啟發(fā)下，研究團隊實現(xiàn)了“納米剪紙”這一概念的論證；在李志遠的建議下，研究團隊發(fā)展了一步成型的概念，克服了以往多道工序引起的不確定性，并對該技術(shù)在光、機、電等多個領(lǐng)域的潛在應(yīng)用進行了探討。

　　納米剪紙技術(shù)中涉及豐富的動力學過程，如果僅從實驗表象著手弄清其中的物理，需要海量的實驗驗證。為探索納米剪紙中蘊涵的科學思想，李家方在2017年遠赴美國麻省理工學院（MIT）進行了為期三個月的合作研究。而合作團隊杜匯豐和方絢萊正是該領(lǐng)域的頂級專家，他們迅速幫助建立了有效的材料和力學模型，對納米剪紙的動力學過程進行了完美再現(xiàn)，并精準地預測了納米剪紙的結(jié)果，使得結(jié)構(gòu)的嘗試在計算機中即可迅速完成，為新穎結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了建設(shè)性的思路。同時，納米力學結(jié)構(gòu)模型還給出了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了有效參考。更為重要的是，合作團隊構(gòu)建了“納米力學和納米光子學”一體化研究體系，有望可以根據(jù)目標功能函數(shù)，對納米剪紙進行逆向設(shè)計和機器優(yōu)化，為三維智能納米制造提供一種新的技術(shù)方案。