納米剪紙技術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)藝術之一，已有上千年的歷史，被廣泛應用在各類窗花、賀卡、儀式和節(jié)日所用的裝飾中。但正如中國很多傳統(tǒng)技術的發(fā)展歷程一樣，早期的人們并沒有關注到剪紙技術中的科學思想。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。與剪紙相對應的還有我們熟知的折紙藝術的英文名稱“origami”，同樣來源于日語（ori意為“折”）。

圖1. 宏觀剪紙與納米剪紙。（A）宏觀剪紙過程。（B）利用FIB刻蝕及全局幀掃描在80nm厚懸空金薄膜上進行的納米剪紙過程。（C, G）宏觀剪紙結構及其對應的（F，J）納米剪紙三維立體結構掃描電鏡圖。（D，H）發(fā)生立體形變前的二維結構圖案與（E，I）發(fā)生形變后的三維納米結構圖案頂視圖。宏觀與納米結構的比例大小約為：10,000:1。Scale bars: 1 μm。

近年來，剪紙和折紙技術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構到三維立體結構的形變科學，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構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，而驅動這一變化所需要的能量設計又十分巧妙。因此，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(fā)展，包括外太空飛行器的太陽能帆板折疊技術，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。

圖2. 基于形貌誘導應力自平衡和閉環(huán)形變的納米剪紙技術。（A）納米剪紙過程中金納米薄膜發(fā)生形變的物理機制。（B-E）二維結構圖案、納米剪紙形成的三維立體結構及其理論模擬結果。（F-H）納米剪紙制備的形貌特異的三維納米結構。Scale bars: 1 μm。

最近，針對國家在三維納米制造領域的重大需求，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組的李家方博士負責發(fā)起了一個探索納米剪紙技術的國際合作團隊，包括物理所博士生劉之光、麻省理工學院博士生杜匯豐和方絢萊教授（Nicholas X. Fang）、華南理工大學李志遠教授和物理所L01組長陸凌研究員。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，制備了形貌特異的三維納米結構，實現(xiàn)了通信波段光學超手征體的構建。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》子刊Science Advances雜志上。

圖3. 基于納米剪紙技術的三維光學超手征體的構建。（A-C）結構設計思路。（D）理論設計的三種風車型納米結構及（E）實驗論證。Scale bars: 1 μm。

在該研究工作中，劉之光和李家方博士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構的原位變換，加工的三維金屬結構分辨率在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(huán)形變達到新的力學平衡態(tài)。

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(xiàn)向下或向上的彎折、旋轉、扭曲等立體結構形變。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。在陸凌研究員的啟發(fā)下，研究團隊實現(xiàn)了“納米剪紙”這一概念的論證；在李志遠教授的建議下，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，并對該技術在光、機、電等多個領域的潛在應用進行了探討。

圖4. 基于納米剪紙三維風車型納米結構陣列的超手征特性。（A）FIB加工的二維風車型結構及（B）納米剪紙形成的三維風車型結構陣列。（C）左旋與右旋三維風車型結構頂視圖。（D，E）二維和三維風車型結構陣列的圓二色譜和偏振旋轉光譜（對應于圓雙折射特性）對比圖。顯示出納米剪紙導致結構光學特性發(fā)生的巨大變化。（F）對應于圖（E）的各波長處偏振旋轉的極坐標圖。理論與實驗十分吻合。Scale bars: 1 μm。

納米剪紙技術中涉及到豐富的動力學過程，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，李家方博士在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。而合作團隊的MIT杜匯豐博士生和方絢萊教授正是該領域的頂級專家，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。同時，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(yōu)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，有望可以根據(jù)目標功能函數(shù)，對納米剪紙進行逆向設計和機器優(yōu)化，為三維智能納米制造提供一種新的技術方案。

在應用方面，以往的宏觀剪紙技術采用多道復雜工序和復合材料，結構尺寸多在數(shù)厘米到數(shù)百微米范圍，很難實現(xiàn)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，該研究團隊發(fā)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(yōu)勢，有利于實現(xiàn)光響應的功能結構，例如構建光學超手征體（chirality）。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(xiàn)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(xiàn)為圓二色性（circular dichroism）和圓雙折射特性（circular birefringence），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?；诩{米剪紙可實現(xiàn)三維扭曲的技術特點，研究團隊設計并實現(xiàn)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?？紤]到該陣列結構的厚度僅為約430nm（包括襯底），其對應的最大偏振旋轉靈敏達到了200,000o/mm以上，超過了已報道的手征超構材料和二維平面納米結構。

該研究工作還得到了中科院物理所微加工實驗室和光物理實驗室多位老師和同學的重要支持，特別是自2015年開始微加工實驗室及團隊成員參與發(fā)展的FIB線掃描應變折疊技術[Light: Science & Applications 4, e308 (2015); Sci. Rep. 6, 27817 (2016); Sci. Rep. 7: 8010(2017)]，為納米剪紙中全局幀掃描下的應力自平衡和閉環(huán)形變技術提供了重要的技術參考。

文章來源：中國科學院物理研究所