李志远开发出三维纳米“剪纸”结构

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剪纸是中国最古老的传统艺术之一，其中蕴含着丰富的科学原理。华南理工大学物理与光电学院李志远教授与其博士研究生、中国科学院物理研究所刘之光，中国科学院物理研究所李家方博士、陆凌研究员，麻省理工学院方绚莱教授及其博士生杜汇丰等人组成的国际合作研究团队，从中国传统的“拉花剪纸”中获得灵感，首次实现了纳米尺度的片上原位剪纸技术，制备了形貌特异的三维纳米结构，实现了通信波段光学超手征体的构建，在生物分子识别和光通信等领域有广泛应用前景。

近日，该项研究成果以“Nano-kirigami with giant optical chirality”为题发表在Science子刊Science Advances上。其中，刘之光、李家方和杜汇丰为共同第一作者，李家方、李志远和方绚莱为共同通讯作者，李家方博士为项目负责人。

在该研究工作中，研究团队采用高剂量的聚焦离子束（FIB）作为“剪裁”手段，利用低剂量全局帧扫描的FIB作为“形变”手段，实现了悬空金纳米薄膜从二维平面到三维立体结构的原位变换，加工分辨率可达50 nm以下，为头发丝直径的数千分之一。

该方法突破了传统自下而上、自上而下、自组装等纳米加工方法在几何形貌方面的局限，是一种新型的三维纳米制造技术。研究团队进一步提出了“纳米剪纸”概念，发展了一步成型的制造技术，克服了以往多道工序引起的不确定性，并对该技术应用于光、机、电等多个领域进行了论证和探索。

为探索“纳米剪纸”中蕴涵的科学思想，研究团队建立了有效的材料和力学模型，对其动力学过程进行了完美再现，并精准地预测了纳米剪纸的结果，使得结构的尝试在计算机中即可迅速完成，为新颖结构的设计提供了建设性的思路。同时，纳米力学结构模型还给出了结构内部的应力分布情况，为结构的优化设计提供了有效参考。更为重要的是，合作团队构建了“纳米力学和纳米光子学”一体化研究体系，有望可以根据目标功能函数，对纳米剪纸进行逆向设计和机器优化，为三维智能纳米制造提供一种新的技术方案。

宏观剪纸与纳米剪纸

在应用方面，以往的宏观剪纸技术采用多道复杂工序和复合材料，结构尺寸多在数厘米到数百微米范围，很难实现片上原位制造，其应用也大多局限在机械和力学领域。与其相比，该研究团队发展的纳米剪纸技术拥有更小的纳米量级加工尺度，具有单材、原位、片上可集成的优势，有利于实现光响应的功能结构，例如构建光学超手征体。

该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、国家留学基金委员会及美国相关研究基金的资助。

论文链接：

http://advances.sciencemag.org/content/4/7/eaat4436