北理工團隊發(fā)表《剪紙與折紙：打開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：物理學院
編輯：周格羽 審核：姚裕貴 閱讀次數(shù)：
剪紙是中國古老的傳統(tǒng)民間藝術(shù)之一,，現(xiàn)代科技將其概念進行延伸,，發(fā)展成為一門獨特的形變科學和技術(shù),。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(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)筑的實現(xiàn),、應用、挑戰(zhàn)和發(fā)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(fā)表在光學領(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精密制造領(lǐng)域。近年來,，三維剪紙和折紙技術(shù)以其獨特的制造方式在力學,、微電子、聲學,、光學等領(lǐng)域得到了廣泛的重視,，其最大的特點是材料本身的質(zhì)量在三維重構(gòu)過程中幾乎不發(fā)生改變，既非“增材”也不“減材”,，通過幾何變換的方式即可使結(jié)構(gòu)所占空間發(fā)生幾個數(shù)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(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)],，實現(xiàn)了一系列新穎的三維及準三維納米結(jié)構(gòu)[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(xiàn)了剪紙/折紙技術(shù)概念與科學思想在微納尺度的融合，逐漸發(fā)展成為一個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（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(tǒng)三維微納加工手段所不能及的特點,，如獨特的連續(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)計理論已經(jīng)非常成熟,，當前微納尺度剪紙/折紙技術(shù)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(zhì)是利用不同區(qū)域產(chǎn)生的應力差別驅(qū)使結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生形變,，因此要實現(xiàn)剪紙與折紙形變,，關(guān)鍵是要對結(jié)構(gòu)施加理想的應力分布。針對這一問題,，研究團隊總結(jié)和歸納了微納尺度應力產(chǎn)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(shù)方法，而且均可以通過理論上的深入理解予以設(shè)計和優(yōu)化,。
圖2 基于剪紙/折紙技術(shù)的可重構(gòu)光學應用
研究團隊還對微納尺度三維剪紙/折紙技術(shù)的潛在應用進行了探討,。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,，可以在微納米級尺度實現(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,、生物和光學器件,、可重構(gòu)系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)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(shù)可為進一步開發(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(fā)計劃,、廣東省創(chuàng)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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