剪紙：從民間藝術(shù)到納米制造

張焱

一把剪刀，一張薄紙，大千世界就可以躍然紙上，這就是我國古老的剪紙藝術(shù)。

2017年，中國科學(xué)院物理研究所副研究員李家方組建了探索納米剪紙技術(shù)的國際合作團(tuán)隊(duì)，從傳統(tǒng)的拉花剪紙中獲得靈感，首次實(shí)現(xiàn)了納米尺度的片上原位剪紙技術(shù)。研究成果于7月6日發(fā)表在《科學(xué)》子刊《科學(xué)前沿》上。

“我們團(tuán)隊(duì)采用納米剪紙技術(shù)制備了形貌特異的三維納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了通信波段光學(xué)超手征體的構(gòu)建?！崩罴曳较蚬P者解釋道，“團(tuán)隊(duì)用聚焦離子束在幾十納米厚的金屬薄片上雕刻出預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖形后，金屬薄片通過剪紙式的扭曲形成一個(gè)新穎的三維形體，能對(duì)特定設(shè)計(jì)的光進(jìn)行選擇性濾波?！?/p>

剪折紙用于科學(xué)界

盡管中國出土的文物“北朝對(duì)馬團(tuán)花剪紙”形成于公元386～581年期間，但人們并沒有關(guān)注剪紙技術(shù)中的科學(xué)思想。

中國紙文化在公元6世紀(jì)傳播到日本，剪紙方法得到了詳細(xì)記錄并得到不斷積累和發(fā)展，導(dǎo)致很多學(xué)者認(rèn)為剪紙藝術(shù)起源于日本（“剪紙”的英譯詞“kirigami”出自于日語，kiri意為“剪”，gami意為“紙”），與剪紙相對(duì)應(yīng)的還有我們熟知的折紙藝術(shù)，其英文名稱origami，同樣來源于日語，ori意為“折”。

近年來，剪紙和折紙技術(shù)在科學(xué)界得到了廣泛的重視。李家方向筆者介紹道：“看似簡單的剪紙和折紙技術(shù)中，其實(shí)蘊(yùn)含著深邃的科學(xué)思想，如今包括哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、西北大學(xué)在內(nèi)的許多著名研究團(tuán)隊(duì)都進(jìn)行了專門的研究?！?/p>

他以常見的立體剪紙賀卡為例，指出其包含了從二維平面結(jié)構(gòu)到三維立體結(jié)構(gòu)的形變科學(xué)，并衍生變換豐富的立體幾何，一個(gè)顯著的特征是結(jié)構(gòu)所占空間大小在形變過程中發(fā)生了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，而驅(qū)動(dòng)這一變化所需要的能量設(shè)計(jì)又十分巧妙。

一個(gè)形象的例子是清華大學(xué)近日發(fā)出的新版錄取通知書。隨著錄取通知書的打開，清華的3D“二校門”就躍然紙上?！岸ｉT”包含了30多件紙藝部件、上百個(gè)拼插結(jié)構(gòu)，經(jīng)過激光雕刻、剪裁、拼插組裝。

這些年，結(jié)合當(dāng)代材料和制造領(lǐng)域的巨大進(jìn)步，剪紙和折紙技術(shù)在很多領(lǐng)域得到發(fā)展，包括太陽能帆板折疊技術(shù)，微納機(jī)電系統(tǒng)，形變建筑學(xué)，性能特異的機(jī)械、生物和光學(xué)器件，乃至DNA納米剪裁和折疊技術(shù)。

組建納米剪紙團(tuán)隊(duì)

針對(duì)我國在三維納米制造領(lǐng)域的重大需求，李家方發(fā)起了一支國際合作團(tuán)隊(duì)，包括物理所博士劉之光、麻省理工學(xué)院博士杜匯豐和教授方絢萊（Nicholas X.Fang）、華南理工大學(xué)教授李志遠(yuǎn)和物理所L01組長、研究員陸凌。

如果說傳統(tǒng)的剪紙藝術(shù)采用剪刀在紙上進(jìn)行剪裁，用手工進(jìn)行折疊，那么在該研究工作中，劉之光和李家方采用高劑量的聚焦離子束（FIB）代替剪刀，利用低劑量全局幀掃描的FIB代替手工，用金納米薄膜代替紙張進(jìn)行特殊裁剪，實(shí)現(xiàn)了懸空金納米薄膜從二維平面到三維立體結(jié)構(gòu)的原位變換。

“我們加工的三維金屬結(jié)構(gòu)分辨率在50納米以下，約為頭發(fā)絲直徑的兩千分之一?！崩罴曳浇榻B道，“其基本原理是利用FIB輻照金膜時(shí)，薄膜內(nèi)產(chǎn)生的缺陷和注入的鎵離子分別誘導(dǎo)不同類型的應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在自身形貌的智能導(dǎo)向下通過閉環(huán)形變達(dá)到新的力學(xué)平衡態(tài)。”

因此，通過設(shè)計(jì)不同的初始二維圖案，可以在同樣的掃描條件下分別實(shí)現(xiàn)向下或向上的彎折、旋轉(zhuǎn)、扭曲等立體結(jié)構(gòu)形變。他說：“該方法在前人發(fā)展的離子束折疊技術(shù)中融入了傳統(tǒng)剪紙思想，突破了傳統(tǒng)自下而上、自上而下、自組裝等納米加工方法在幾何形貌方面的局限，是一種新型的三維納米制造技術(shù)?！?/p>

在陸凌的啟發(fā)下，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了“納米剪紙”這一概念的論證。團(tuán)隊(duì)還在李志遠(yuǎn)的建議下，發(fā)展了一步成型的概念，克服了以往多道工序引起的不確定性。

由于納米剪紙技術(shù)涉及豐富的動(dòng)力學(xué)過程，如果僅從實(shí)驗(yàn)表象著手弄清其中的物理現(xiàn)象，需要海量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為探索納米剪紙中蘊(yùn)含的科學(xué)思想，2017年，李家方赴美國麻省理工學(xué)院（MIT）進(jìn)行了為期三個(gè)月的合作研究，得到了MIT博士生杜匯豐和方絢萊教授的鼎力支持。

杜匯豐和方絢萊都是納米制造領(lǐng)域的頂級(jí)專家，他們幫助建立了有效的材料和力學(xué)模型，對(duì)納米剪紙的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了完美再現(xiàn)，并精準(zhǔn)地預(yù)測了納米剪紙的結(jié)果，使得結(jié)構(gòu)的嘗試在計(jì)算機(jī)中即可迅速完成，為新穎結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了建設(shè)性的思路。

李家方指出，納米力學(xué)結(jié)構(gòu)模型還給出了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效參考。更為重要的是，合作團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“納米力學(xué)和納米光子學(xué)”一體化研究體系，“有望根據(jù)目標(biāo)功能函數(shù)，對(duì)納米剪紙進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)和機(jī)器優(yōu)化，為三維智能納米制造提供一種新的技術(shù)方案”。

應(yīng)用前景廣闊

李家方表示，在應(yīng)用方面，以往的宏觀剪紙技術(shù)采用多道復(fù)雜工序，結(jié)構(gòu)尺寸多在數(shù)厘米到數(shù)百微米范圍內(nèi)，很難實(shí)現(xiàn)片上原位制造，其應(yīng)用也大多局限在機(jī)械和力學(xué)領(lǐng)域。

與其相比，國際合作團(tuán)隊(duì)發(fā)展的納米剪紙技術(shù)擁有更小的納米量級(jí)加工尺度，具有單材、原位、片上可集成的優(yōu)勢，有利于實(shí)現(xiàn)光響應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)，例如構(gòu)建光學(xué)超手征體。

李家方解釋道，當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)任何平面都不具備鏡面對(duì)稱性時(shí)，我們說這種結(jié)構(gòu)具有內(nèi)在的手征特性，如各類螺旋線或螺旋體結(jié)構(gòu)。但要構(gòu)建光學(xué)手征特性，需要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)左旋和右旋圓偏振光的不同響應(yīng)，包括吸收/透射和相位兩方面，分別體現(xiàn)為圓二色性和圓雙折射特性，二者在生物分子識(shí)別、偏振顯示、光通信等方面有著重要的應(yīng)用。

基于納米剪紙可實(shí)現(xiàn)三維扭曲的技術(shù)特點(diǎn)，國際合作團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種“風(fēng)車型”納米結(jié)構(gòu)陣列，觀測到了強(qiáng)烈的圓二色性和圓雙折射特性。由于該陣列結(jié)構(gòu)的厚度僅約430納米（包括襯底），其圓雙折射特性超過了已報(bào)道的手征超構(gòu)材料和二維平面納米結(jié)構(gòu)。

目前該研究還處于早期階段，隨著合作的深入，李家方指出，這一3D納米制造技術(shù)可以應(yīng)用于光學(xué)信息、傳感和生物芯片領(lǐng)域，如構(gòu)建新穎的數(shù)字微鏡元件、手性分子識(shí)別傳感器、超薄光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換器等。