北理工團(tuán)隊(duì)發(fā)表《剪紙與折紙：打開(kāi)三維微納制造新篇章》 重要綜述文章
發(fā)布日期：2020-05-13 供稿：物理學(xué)院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
剪紙是中國(guó)古老的傳統(tǒng)民間藝術(shù)之一，現(xiàn)代科技將其概念進(jìn)行延伸，發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)特的形變科學(xué)和技術(shù),。近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院李家方教授與華南理工大學(xué)李志遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)合作,，對(duì)近年來(lái)新興的三維微納剪紙與折紙制造技術(shù)的原理與方法,，以及二維平面材料與結(jié)構(gòu)在微納尺度三維形變構(gòu)筑的實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用,、挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì),，進(jìn)行了全面的介紹和深入的討論。該長(zhǎng)篇綜述論文發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊Light: Science & Applications上（IF:14.523）上,。
高精密的三維微納制造是當(dāng)代信息技術(shù)得以建立和發(fā)展的重要基礎(chǔ),。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(gè)精密制造領(lǐng)域,。近年來(lái),，三維剪紙和折紙技術(shù)以其獨(dú)特的制造方式在力學(xué)、微電子,、聲學(xué),、光學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的重視，其最大的特點(diǎn)是材料本身的質(zhì)量在三維重構(gòu)過(guò)程中幾乎不發(fā)生改變，既非“增材”也不“減材”,，通過(guò)幾何變換的方式即可使結(jié)構(gòu)所占空間發(fā)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化,，蘊(yùn)涵著深邃的科學(xué)變換思想。李家方教授及合作團(tuán)隊(duì)在2018年發(fā)明了一種基于納米剪紙的三維微納加工技術(shù)[Science Advances 4, eaat4436 (2018)],，實(shí)現(xiàn)了一系列新穎的三維及準(zhǔn)三維納米結(jié)構(gòu)[Nanophotonics 7, 1637 (2018); APL Photonics 3, 100803 (2018)],，并開(kāi)展了新型光學(xué)應(yīng)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(shí)現(xiàn)了剪紙/折紙技術(shù)概念與科學(xué)思想在微納尺度的融合，逐漸發(fā)展成為一個(gè)特色鮮明的前沿研究領(lǐng)域,。
圖1 微納尺度剪紙/折紙的基本形變特點(diǎn)（折疊,、彎曲、扭曲）,、石墨烯剪紙/折紙、及應(yīng)力激勵(lì)方式
綜述論文指出,，微納尺度的剪紙/折紙形變擁有傳統(tǒng)三維微納加工手段所不能及的特點(diǎn),，如獨(dú)特的連續(xù)折疊、彎曲,、扭曲等,。但由于常規(guī)宏觀操作不適用微納空間，因此盡管設(shè)計(jì)理論已經(jīng)非常成熟,，當(dāng)前微納尺度剪紙/折紙技術(shù)主要受限于形變的激勵(lì)方式,。這是因?yàn)槲⒓{尺度形變的本質(zhì)是利用不同區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力差別驅(qū)使結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生形變，因此要實(shí)現(xiàn)剪紙與折紙形變,，關(guān)鍵是要對(duì)結(jié)構(gòu)施加理想的應(yīng)力分布,。針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)和歸納了微納尺度應(yīng)力產(chǎn)生的方式,，主要有毛細(xì)作用力,、薄膜殘余應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力,、材料應(yīng)激應(yīng)力,、離子束轟擊應(yīng)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(lì)方式,。每一種激勵(lì)方式均蘊(yùn)含著豐富的物理,、化學(xué)、材料,、力學(xué)等學(xué)科綜合的科學(xué)思想和技術(shù)方法,，而且均可以通過(guò)理論上的深入理解予以設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
圖2 基于剪紙/折紙技術(shù)的可重構(gòu)光學(xué)應(yīng)用
研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)微納尺度三維剪紙/折紙技術(shù)的潛在應(yīng)用進(jìn)行了探討。微納尺度三維剪紙/折紙技術(shù)突破了傳統(tǒng)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(jí)尺度實(shí)現(xiàn)折疊,、彎曲,、拉伸、扭轉(zhuǎn)等豐富的三維形變,，因而在二維材料,、生物和光學(xué)器件、可重構(gòu)系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力（圖2）,。
該綜述文章涵蓋的剪紙與折紙技術(shù)可為進(jìn)一步開(kāi)發(fā),、挖掘和重塑現(xiàn)有材料的力、熱,、電,、磁、光,、聲等特性提供一種簡(jiǎn)單而有效的手段,，有望解決微納器件領(lǐng)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(yuǎn)教授為論文的共同通訊作者。作者感謝北京理工大學(xué),、中科院物理所,、麻省理工學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金,、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、廣東省創(chuàng)新基金和北京市自然科學(xué)基金等合作團(tuán)隊(duì)和項(xiàng)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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