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剪紙:從民間藝術到納米制造

時間:2018/7/16 1:35:52

  核心提示:一把剪刀,一張薄紙,大千世界就可以躍然紙上,這就是我國古老的剪紙藝術。2017年,中國科學院物理研究所副研究員李家方組建了探索納米剪紙技術的國際合作團隊,從傳統的拉花剪紙中獲得靈感,首次實現了納米尺度...

一把剪刀,一張薄紙,大千世界就可以躍然紙上,這就是我國古老的剪紙藝術。

2017年,中國科學院物理研究所副研究員李家方組建了探索納米剪紙技術的國際合作團隊,從傳統的拉花剪紙中獲得靈感,首次實現了納米尺度的片上原位剪紙技術。研究成果于7月6日發表在《科學》子刊《科學前沿》上。

“我們團隊采用納米剪紙技術制備了形貌特異的三維納米結構,實現了通信波段光學超手征體的構建。”李家方向《中國科學報》解釋道,“團隊用聚焦離子束在幾十納米厚的金屬薄片上雕刻出預先設計好的圖形后,金屬薄片通過剪紙式的扭曲形成一個新穎的三維形體,能對特定設計的光進行選擇性濾波。”

剪折紙用于科學界

盡管中國出土的文物“北朝對馬團花剪紙”形成于公元386~581年期間,但人們并沒有關注剪紙技術中的科學思想。

中國紙文化在公元6世紀傳播到日本,剪紙方法得到了詳細記錄并得到不斷積累和發展,導致很多學者認為剪紙藝術起源于日本(“剪紙”的英譯詞“kirigami”出自于日語,kiri意為“剪”,gami意為“紙”),與剪紙相對應的還有我們熟知的折紙藝術,其英文名稱origami,同樣來源于日語ori,意為“折”。

近年來,剪紙和折紙技術在科學界得到了廣泛的重視。李家方向記者介紹道:“看似簡單的剪紙和折紙技術中,其實蘊含著深邃的科學思想,如今包括哈佛大學、麻省理工學院、西北大學在內的許多著名研究團隊都進行了專門的研究。”

他以常見的立體剪紙賀卡為例,指出其包含了從二維平面結構到三維立體結構的形變科學,并衍生變換豐富的立體幾何,一個顯著的特征是結構所占空間大小在形變過程中發生了幾個數量級的變化,而驅動這一變化所需要的能量設計又十分巧妙。

一個形象的例子是清華大學近日發出的新版錄取通知書。隨著錄取通知書的打開,清華的3D“二校門”就躍然紙上。“二校門”包含了30多件紙藝部件、上百個拼插結構,經過激光雕刻、剪裁、拼插組裝。

這些年,結合當代材料和制造領域的巨大進步,剪紙和折紙技術在很多領域得到發展,包括太陽能帆板折疊技術,微納機電系統,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。

組建納米剪紙團隊

針對我國在三維納米制造領域的重大需求,李家方發起了一支國際合作團隊,包括物理所博士劉之光、麻省理工學院博士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L01組長、研究員陸凌。

如果說傳統的剪紙藝術采用剪刀在紙上進行剪裁,用手工進行折疊,那么在該研究工作中,劉之光和李家方采用高劑量的聚焦離子束(FIB)代替剪刀,利用低劑量全局幀掃描的FIB代替手工,用金納米薄膜代替紙張進行特殊裁剪,實現了懸空金納米薄膜從二維平面到三維立體結構的原位變換。

“我們加工的三維金屬結構分辨率在50納米以下,約為頭發絲直徑的兩千分之一。”李家方介紹道,“其基本原理是利用FIB輻照金膜時,薄膜內產生的缺陷和注入的鎵離子分別誘導不同類型的應力,結構在自身形貌的智能導向下通過閉環形變達到新的力學平衡態。”

因此,通過設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向下或向上的彎折、旋轉、扭曲等立體結構形變。他說:“該方法在前人發展的離子束折疊技術中融入了傳統剪紙思想,突破了傳統自下而上、自上而下、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。”

在陸凌的啟發下,研究團隊實現了“納米剪紙”這一概念的論證。團隊還在李志遠的建議下,發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。

由于納米剪紙技術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現象,需要海量的實驗驗證。為探索納米剪紙中蘊含的科學思想,2017年,李家方赴美國麻省理工學院(MIT)進行了為期三個月的合作研究,得到了MIT博士生杜匯豐和方絢萊教授的鼎力支持。

杜匯豐和方絢萊都是納米制造領域的頂級專家,他們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,并精準地預測了納米剪紙的結果,使得結構的嘗試在計算機中即可迅速完成,為新穎結構的設計提供了建設性的思路。

李家方指出,納米力學結構模型還給出了結構內部的應力分布情況,為結構的優化設計提供了有效參考。更為重要的是,合作團隊構建了“納米力學和納米光子學”一體化研究體系,“有望根據目標功能函數,對納米剪紙進行逆向設計和機器優化,為三維智能納米制造提供一種新的技術方案”。

應用前景廣闊

李家方表示,在應用方面,以往的宏觀剪紙技術采用多道復雜工序,結構尺寸多在數厘米到數百微米范圍內,很難實現片上原位制造,其應用也大多局限在機械和力學領域。

與其相比,國際合作團隊發展的納米剪紙技術擁有更小的納米量級加工尺度,具有單材、原位、片上可集成的優勢,有利于實現光響應的功能結構,例如構建光學超手征體。

李家方解釋道,當一個結構對任何平面都不具備鏡面對稱性時,我們說這種結構具有內在的手征特性,如各類螺旋線或螺旋體結構。但要構建光學手征特性,需要實現結構對左旋和右旋圓偏振光的不同響應,包括吸收/透射和相位兩方面,分別體現為圓二色性和圓雙折射特性,二者在生物分子識別、偏振顯示、光通信等方面有著重要的應用。

基于納米剪紙可實現三維扭曲的技術特點,國際合作團隊設計并實現了一種“風車型”納米結構陣列,觀測到了強烈的圓二色性和圓雙折射特性。由于該陣列結構的厚度僅約430納米(包括襯底),其圓雙折射特性超過了已報道的手征超構材料和二維平面納米結構。

目前該研究還處于早期階段,隨著合作的深入,李家方指出,這一3D納米制造技術可以應用于光學信息、傳感和生物芯片領域,如構建新穎的數字微鏡元件、手性分子識別傳感器、超薄光學偏振轉換器等。

作者:沈春蕾 來源:中國科學報
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