中國傳統剪紙藝術在三維納米智能製造中煥發新活力！
背景
剪紙藝術是中國最傳統的民間藝術之一，廣泛地應用於窗花、賀卡、節日與慶典等。剪紙藝術可將平面物體剪切並摺疊成三維形狀。
（圖片來源於：維基百科）
近些年來，這項古老藝術的技藝在多個科技領域煥發出新的活力，包括太陽能電池陣列、生物醫療設備和微/納機電系統（MEMS/NEMS）、機器人等。例如，筆者曾介紹過，中國科學院、重慶大學、美國喬治亞理工學院、台灣科技大學等科研機構的科研人員組成的團隊開發出一種輕量的、剪紙式樣的裝置，它能採集來自人體運動的能量。
（圖片來源：美國化學會）
創新
近日，中國科學院物理研究所的博士 LI Jiafang 組建了一支國際科研團隊，將剪紙技術應用於先進的三維納米製造。2018年7月6日，相關論文發表於《科學進展（Science Advances）》雜誌。
技術
受中國傳統的剪紙藝術「拉花」的啟發，團隊開發出一種直接的納米剪紙方法，應用於納米級的平面薄膜。他們採用聚焦離子束（FIB）代替小刀或者剪刀，在無需依靠支撐物的金納米薄膜中剪出精確的圖案，然後採用同樣的FIB代替雙手，逐漸地將納米圖案「拉」成複雜的三維形狀。
普通紙張中宏觀的剪紙圖像和80納米厚的金薄膜中的納米剪紙圖像
（圖片來源：中科院物理所）
在FIB照射期間，金納米薄膜中的異質空位（帶來拉應力）以及植入離子（帶來壓應力）引發了這種「拉」力。
利用納米薄膜中的地形學引導的應力平衡，可精準實現納米結構的多種三維形狀的轉換，例如：向上彎曲、向下彎曲、複雜的旋轉和扭曲。
地形學引導的納米剪紙和機械建模
（圖片來源：中科院物理所）
之前創造功能性剪紙設備的嘗試，採用了複雜的序貫程序，主要致力於實現機械功能而非光學功能。然而，相比之下，這種新型納米剪紙方案可通過單個製造步驟實現，並能實現一系列的光學功能。
為了進行概念驗證階段的演示，團隊製造了具有巨大光學手性的紙風車般的三維結構。這種納米設備實現了對於「左手」和「右手」圓偏振光的高效操控，並展示出位於電信波長的強大的單軸光學旋轉效應。
具有巨大光學手性的納米剪紙結構的功能設計
（圖片來源：中科院物理所）
價值
通過這項技術，團隊展示了納米化學和納米光子學兩個領域之間的學科交叉融合。它代表了新興的剪紙研究的全新方向。
同時，團隊也開發出一種理論模型來闡明納米剪紙製造器件的動力。這個模型非常重要，因為它使得研究人員設計出了基於期望的光學功能的三維幾何形狀。相比之下，之前的研究嚴重依賴於直覺設計。
換句話說，就幾何設計而言，納米剪紙提供了一種智能的三維納米製造方法，超越傳統的自下而上、自上而下和自組裝的納米製造技術。
它的概念可以拓展至更廣泛的納米製造平台，並實現複雜的光學納米結構，用於感知、計算、微/納機電系統或者生物醫療設備。
關鍵字
納米、光學、生物醫療
參考資料
【1】http://english.cas.cn/newsroom/research_news/201807/t20180713_195112.shtml
【2】http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.aat4436
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