中科院物理所:“剪纸”为3D智能纳米加工提供了模型

剪纸(英文也可表达为“paper-cuts”或“jianzhi”)是中国最传统的民间艺术之一。它广泛应用于橱窗装饰、礼品卡片、节日和庆典等。剪纸是将平面物体剪切和折叠成3D形状。最近，这一项古老艺术的技术已被应用于各大科技领域，包括太阳能阵列、生物医学设备和微/纳米机电系统(MEMS/NEMS)的设计。

中国科学院物理研究所（IOP）的LI Jiafang博士最近成立了一个国际团队，该团队将剪纸技术应用于先进的3D纳米加工之中。

纸张上的宏观剪纸和80纳米厚黄金薄膜上的纳米剪纸。(图片:中科院)

受到中国传统拉花剪纸艺术的启发，该团队开发了一种直接的纳米剪纸方法来处理纳米级别的平板薄膜。他们利用聚焦离子束（FIB）代替刀/剪刀在独立的金纳米薄膜上切割出一个精确的图案，然后使用相同的聚焦离子束代替手将纳米图案逐渐“拉”成一个复杂的3D形状。

在聚焦离子束辐射期间，金属纳米薄膜内的空位（引入拉伸应力）和间隙离子（引入压缩应力）会引起“拉”力存在。

通过利用纳米薄膜内的形貌引导的应力平衡，精确地实现了多向3D形状变换，例如向上弯曲，向下弯曲，复杂旋转和纳米结构的扭曲。

形貌引导的纳米剪纸和机械建模。 （图片：中科院）

虽然之前创建功能性剪纸设备的尝试使用了许多复杂且连续的程序，并且主要旨在实现机械而非光学功能，相反，这种新的纳米剪纸方法可以在单个加工过程中实现并且可以用于执行多个光学功能。

为了概念验证证明，该团队制作了具有巨大光学手性的3D风车状结构。 纳米器件实现了对“左旋”和“右旋”圆偏振光的有效操纵，并且在通信波长中表现出很强的单轴旋光效应(Science Advances, "Nano-kirigami with giant optical chirality").

通过这种方式，该团队展示了纳米力学和纳米光学两个领域之间的多学科联系。 这可能代表了新兴剪纸艺术研究的一个全新方向。

具有巨大光学手性的纳米剪纸结构的功能性设计。 （图片：中科院）

该团队还开发了一个理论模型来阐明纳米剪纸加工过程中的动力学。这具有重要意义，因为它允许研究人员根据所需的光学功能设计3D纳米几何形状。相比之下，以前的研究很大程度上依赖于直观设计。

这个理念可以扩展到各种纳米加工平台，并可以实现用于传感，计算，微/纳机电系统或生物医学设备的复杂光学纳米结构。

换句话说，就几何设计而言，纳米剪纸提供了一种智能的3D纳米加工方法，该方法超越了传统的自下而上，自上而下和自组装的纳米加工技术。

文章来源于Chinese Academy of Sciences网站，原文题目：Nano-kirigami: 'Paper-cut' provides model for 3D intelligent nanofabrication，由材料科技在线团队翻译整理。