首次实现了纳米尺度的片上原位剪纸技术

2018-07-12 17:04:00     来源: 贤集网

剪纸作为中国最古老的传统艺术之一,已有上千年的历史,被广泛应用在各类窗花、贺卡、仪式和节日所用的装饰中。但正如中国很多传统技术的发展历程一样,早期的人们并没有关注到剪纸技术中的科学思想。反而是中国纸文化在公元6世纪传播到日本之后,剪纸方法得到了详细记录并不断积累和发展。因此,现代科学中“剪纸”的英译词“kirigami”实际上出自于日语(命名于1962年,kiri意为“剪”,gami意为“纸”),导致很多学者认为剪纸艺术起源于日本,尽管中国出土的文物“北朝对马团花剪纸”早已形成于公元386-581年期间。与剪纸相对应的还有我们熟知的折纸艺术的英文名称“origami”,同样来源于日语(ori意为“折”)。


近年来,剪纸和折纸技术在科学界得到了广泛的重视,包括美国哈佛大学、麻省理工学院、西北大学在内的许多著名研究团队都进行了专门的研究,这是由于看似简单的剪纸和折纸技术中其实蕴涵着深邃的科学思想。例如常见的立体剪纸贺卡就包含了从二维平面结构到三维立体结构的形变科学,其衍生出来的立体几何变换知识非常丰富,一个显著的特征是结构所占空间大小在形变过程中发生了几个数量级的变化,而驱动这一变化所需要的能量设计又十分巧妙。因此,结合当代材料和制造领域的巨大进步,剪纸和折纸技术在很多领域得到发展,包括外太空飞行器的太阳能帆板折叠技术,微纳机电系统(MEMS/NEMS),形变建筑学,性能特异的机械、生物和光学器件,乃至DNA纳米剪裁和折叠技术。


最近,针对国家在三维纳米制造领域的重大需求,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理实验室L01组博士李家方负责发起了一个探索纳米剪纸技术的国际合作团队,包括物理所博士生刘之光、麻省理工学院博士生杜汇丰和教授方绚莱(Nicholas X.Fang)、华南理工大学教授李志远和物理所研究员陆凌。该团队从中国传统的“拉花剪纸”中获得灵感,首次实现了纳米尺度的片上原位剪纸技术,制备了形貌特异的三维纳米结构,实现了通信波段光学超手征体的构建。该项研究成果以Nano-kirigami with giant optical chirality为题于7月6日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。

宏观剪纸与纳米剪纸

图1.宏观剪纸与纳米剪纸。(A)宏观剪纸过程。(B)利用FIB刻蚀及全局帧扫描在80nm厚悬空金薄膜上进行的纳米剪纸过程。(C,G)宏观剪纸结构及其对应的(F,J)纳米剪纸三维立体结构扫描电镜图。(D,H)发生立体形变前的二维结构图案与(E,I)发生形变后的三维纳米结构图案顶视图。宏观与纳米结构的比例大小约为:10,000:1。Scale bars:1μm。

基于形貌诱导应力自平衡和闭环形变的纳米剪纸技术

图2.基于形貌诱导应力自平衡和闭环形变的纳米剪纸技术。(A)纳米剪纸过程中金纳米薄膜发生形变的物理机制。(B-E)二维结构图案、纳米剪纸形成的三维立体结构及其理论模拟结果。(F-H)纳米剪纸制备的形貌特异的三维纳米结构。Scale bars:1μm。

基于纳米剪纸技术的三维光学超手征体的构建

图3.基于纳米剪纸技术的三维光学超手征体的构建。(A-C)结构设计思路。(D)理论设计的三种风车型纳米结构及(E)实验论证。Scale bars:1μm。

基于纳米剪纸三维风车型纳米结构阵列的超手征特性

图4.基于纳米剪纸三维风车型纳米结构阵列的超手征特性。(A)FIB加工的二维风车型结构及(B)纳米剪纸形成的三维风车型结构阵列。(C)左旋与右旋三维风车型结构顶视图。(D,E)二维和三维风车型结构阵列的圆二色谱和偏振旋转光谱(对应于圆双折射特性)对比图。显示出纳米剪纸导致结构光学特性发生的巨大变化。(F)对应于图(E)的各波长处偏振旋转的极坐标图。理论与实验十分吻合。Scale bars:1μm。


在该研究工作中,刘之光和李家方采用高剂量的聚焦离子束(FIB)作为“剪裁”手段,利用低剂量全局帧扫描的FIB作为“形变”手段,实现了悬空金纳米薄膜从二维平面到三维立体结构的原位变换,加工的三维金属结构分辨率在50nm以下,约为头发丝直径的两千分之一。其基本原理是利用FIB辐照金膜时,薄膜内产生的缺陷和注入的镓离子分别诱导不同类型的应力,结构在自身形貌的智能导向下通过闭环形变达到新的力学平衡态。因此通过设计不同的初始二维图案,可以在同样的扫描条件下分别实现向下或向上的弯折、旋转、扭曲等立体结构形变。该方法突破了传统自下而上(bottom-up)、自上而下(top-down)、自组装等纳米加工方法在几何形貌方面的局限,是一种新型的三维纳米制造技术。在陆凌的启发下,研究团队实现了“纳米剪纸”这一概念的论证;在李志远的建议下,研究团队发展了一步成型的概念,克服了以往多道工序引起的不确定性,并对该技术在光、机、电等多个领域的潜在应用进行了探讨。


纳米剪纸技术中涉及丰富的动力学过程,如果仅从实验表象着手弄清其中的物理,需要海量的实验验证。为探索纳米剪纸中蕴涵的科学思想,李家方在2017年远赴美国麻省理工学院(MIT)进行了为期三个月的合作研究。而合作团队杜汇丰和方绚莱正是该领域的顶级专家,他们迅速帮助建立了有效的材料和力学模型,对纳米剪纸的动力学过程进行了完美再现,并精准地预测了纳米剪纸的结果,使得结构的尝试在计算机中即可迅速完成,为新颖结构的设计提供了建设性的思路。同时,纳米力学结构模型还给出了结构内部的应力分布情况,为结构的优化设计提供了有效参考。更为重要的是,合作团队构建了“纳米力学和纳米光子学”一体化研究体系,有望可以根据目标功能函数,对纳米剪纸进行逆向设计和机器优化,为三维智能纳米制造提供一种新的技术方案。


在应用方面,以往的宏观剪纸技术采用多道复杂工序和复合材料,结构尺寸多在数厘米到数百微米范围,很难实现片上原位制造,其应用也大多局限在机械和力学领域。与其相比,该研究团队发展的纳米剪纸技术拥有更小的纳米量级加工尺度,具有单材、原位、片上可集成的优势,有利于实现光响应的功能结构,例如构建光学超手征体(chirality)。当一个结构对任何平面都不具备镜面对称性时,我们说这种结构具有内在的手征特性,如各类螺旋线或螺旋体结构。但要构建光学手征特性,需要实现结构对左旋和右旋圆偏振光的不同响应,包括吸收/透射和相位两方面,分别体现为圆二色性(circular dichroism)和圆双折射特性(circular birefringence),二者在生物分子识别、偏振显示、光通信等方面有着重要的应用。基于纳米剪纸可实现三维扭曲的技术特点,研究团队设计并实现了一种“风车型”纳米结构阵列,观测到了强烈的圆二色性和圆双折射特性。考虑到该阵列结构的厚度仅为约430nm(包括衬底),其对应的最大偏振旋转灵敏达到了200,000o/mm以上,超过了已报道的手征超构材料和二维平面纳米结构。


该研究工作还得到了物理所微加工实验室和光物理实验室多位老师和同学的支持,特别是自2015年开始微加工实验室及团队成员参与发展的FIB线扫描应变折叠技术[Light:Science&Applications 4,e308(2015);Sci.Rep.6,27817(2016);Sci.Rep.7:8010(2017)],为纳米剪纸中全局帧扫描下的应力自平衡和闭环形变技术提供了重要的技术参考。


该工作得到了国家自然科学基金委(61475186,61675227,11434017)、科技部(2017YFA0303800)、国家留学基金委员会(201704910310)及美国相关研究基金的资助。

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