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    北理工團隊發表《剪紙與折紙:打開三維微納制造新篇章》 重要綜述文章


      剪紙是中國古老的傳統民間藝術之一,現代科技將其概念進行延伸,發展成為一門獨特的形變科學和技術。近日,北京理工大學物理學院李家方教授與華南理工大學李志遠教授團隊合作,對近年來新興的三維微納剪紙與折紙制造技術的原理與方法,以及二維平面材料與結構在微納尺度三維形變構筑的實現、應用、挑戰和發展趨勢,進行了全面的介紹和深入的討論。該長篇綜述論文發表在光學領域權威期刊Light: Science & Applications上(IF:14.523)上。

      高精密的三維微納制造是當代信息技術得以建立和發展的重要基礎。其中,自上而下(top-down)的“減材制造”和自下而上(bottom-up)的“增材制造”方式幾乎覆蓋了整個精密制造領域。近年來,三維剪紙和折紙技術以其獨特的制造方式在力學、微電子、聲學、光學等領域得到了廣泛的重視,其最大的特點是材料本身的質量在三維重構過程中幾乎不發生改變,既非“增材”也不“減材”,通過幾何變換的方式即可使結構所占空間發生幾個數量級的變化,蘊涵著深邃的科學變換思想。李家方教授及合作團隊在2018年發明了一種基于納米剪紙的三維微納加工技術[Science Advances 4, eaat4436 (2018)],實現了一系列新穎的三維及準三維納米結構[Nanophotonics 7, 1637 (2018); APL Photonics 3, 100803 (2018)],并開展了新型光學應用研究,包括可變形立體超表面[Advanced Materials 32, 1907077 (2020)]、二次諧波手性輻射超表面[Laser & Photonics Review 14, 2000085 (2020)]等等。這些研究工作實現了剪紙/折紙技術概念與科學思想在微納尺度的融合,逐漸發展成為一個特色鮮明的前沿研究領域。

    圖1 微納尺度剪紙/折紙的基本形變特點(折疊、彎曲、扭曲)、石墨烯剪紙/折紙、及應力激勵方式

      綜述論文指出,微納尺度的剪紙/折紙形變擁有傳統三維微納加工手段所不能及的特點,如獨特的連續折疊、彎曲、扭曲等。但由于常規宏觀操作不適用微納空間,因此盡管設計理論已經非常成熟,當前微納尺度剪紙/折紙技術主要受限于形變的激勵方式。這是因為微納尺度形變的本質是利用不同區域產生的應力差別驅使結構自身產生形變,因此要實現剪紙與折紙形變,關鍵是要對結構施加理想的應力分布。針對這一問題,研究團隊總結和歸納了微納尺度應力產生的方式,主要有毛細作用力、薄膜殘余應力、機械應力、材料應激應力、離子束轟擊應力等等(圖1),它們均可作為微納尺度剪紙與折紙形變的激勵方式。每一種激勵方式均蘊含著豐富的物理、化學、材料、力學等學科綜合的科學思想和技術方法,而且均可以通過理論上的深入理解予以設計和優化。

    圖2 基于剪紙/折紙技術的可重構光學應用

      研究團隊還對微納尺度三維剪紙/折紙技術的潛在應用進行了探討。微納尺度三維剪紙/折紙技術突破了傳統自下而上、自上而下、自組裝等三維加工方法在幾何形貌方面的局限,可以在微納米級尺度實現折疊、彎曲、拉伸、扭轉等豐富的三維形變,因而在二維材料、生物和光學器件、可重構系統等領域展現出巨大的應用潛力(圖2)。

      該綜述文章涵蓋的剪紙與折紙技術可為進一步開發、挖掘和重塑現有材料的力、熱、電、磁、光、聲等特性提供一種簡單而有效的手段,有望解決微納器件領域的諸多難題。北理工博士生陳珊珊、華南理工博士生陳劍鋒為論文的共同第一作者,北理工李家方教授和華南理工李志遠教授為論文的共同通訊作者。作者感謝北京理工大學、中科院物理所、麻省理工學院、國家自然科學基金、國家重點研發計劃、廣東省創新基金和北京市自然科學基金等合作團隊和項目的支持。

      文章信息:Shanshan Chen#, Jianfeng Chen#, Xiangdong Zhang, Zhi-Yuan Li* and Jiafang Li*, “Kirigami/origami: unfolding the new regime of advanced 3D microfabrication/nanofabrication with “folding””, Light: Science & Applications 9, 75 (2020).(#為共同一作;*為通訊作者) 文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41377-020-0309-9

      

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