剪纸：从民间艺术到纳米制造

张焱

一把剪刀，一张薄纸，大千世界就可以跃然纸上，这就是我国古老的剪纸艺术。

2017年，中国科学院物理研究所副研究员李家方组建了探索纳米剪纸技术的国际合作团队，从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。研究成果于7月6日发表在《科学》子刊《科学前沿》上。

“我们团队采用纳米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。”李家方向笔者解释道，“团队用聚焦离子束在几十纳米厚的金属薄片上雕刻出预先设计好的图形后，金属薄片通过剪纸式的扭曲形成一个新颖的三维形体，能对特定设计的光进行选择性滤波。”

剪折纸用于科学界

尽管中国出土的文物“北朝对马团花剪纸”形成于公元386～581年期间，但人们并没有关注剪纸技术中的科学思想。

中国纸文化在公元6世纪传播到日本，剪纸方法得到了详细记录并得到不断积累和发展，导致很多学者认为剪纸艺术起源于日本（“剪纸”的英译词“kirigami”出自于日语，kiri意为“剪”，gami意为“纸”），与剪纸相对应的还有我们熟知的折纸艺术，其英文名称origami，同样来源于日语，ori意为“折”。

近年来，剪纸和折纸技术在科学界得到了广泛的重视。李家方向笔者介绍道：“看似简单的剪纸和折纸技术中，其实蕴含着深邃的科学思想，如今包括哈佛大学、麻省理工学院、西北大学在内的许多著名研究团队都进行了专门的研究。”

他以常见的立体剪纸贺卡为例，指出其包含了从二维平面结构到三维立体结构的形变科学，并衍生变换丰富的立体几何，一个显著的特征是结构所占空间大小在形变过程中发生了几个数量级的变化，而驱动这一变化所需要的能量设计又十分巧妙。

一个形象的例子是清华大学近日发出的新版录取通知书。随着录取通知书的打开，清华的3D“二校门”就跃然纸上。“二校门”包含了30多件纸艺部件、上百个拼插结构，经过激光雕刻、剪裁、拼插组装。

这些年，结合当代材料和制造领域的巨大进步，剪纸和折纸技术在很多领域得到发展，包括太阳能帆板折叠技术，微纳机电系统，形变建筑学，性能特异的机械、生物和光学器件，乃至DNA纳米剪裁和折叠技术。

组建纳米剪纸团队

针对我国在三维纳米制造领域的重大需求，李家方发起了一支国际合作团队，包括物理所博士刘之光、麻省理工学院博士杜汇丰和教授方绚莱（Nicholas X.Fang）、华南理工大学教授李志远和物理所L01组长、研究员陆凌。

如果说传统的剪纸艺术采用剪刀在纸上进行剪裁，用手工进行折叠，那么在该研究工作中，刘之光和李家方采用高剂量的聚焦离子束（FIB）代替剪刀，利用低剂量全局帧扫描的FIB代替手工，用金纳米薄膜代替纸张进行特殊裁剪，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。

“我们加工的三维金属结构分辨率在50纳米以下，约为头发丝直径的两千分之一。”李家方介绍道，“其基本原理是利用FIB辐照金膜时，薄膜内产生的缺陷和注入的镓离子分别诱导不同类型的应力，结构在自身形貌的智能导向下通过闭环形变达到新的力学平衡态。”

因此，通过设计不同的初始二维图案，可以在同样的扫描条件下分别实现向下或向上的弯折、旋转、扭曲等立体结构形变。他说：“该方法在前人发展的离子束折叠技术中融入了传统剪纸思想，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。”

在陆凌的启发下，研究團队实现了“纳米剪纸”这一概念的论证。团队还在李志远的建议下，发展了一步成型的概念，克服了以往多道工序引起的不确定性。

由于纳米剪纸技术涉及丰富的动力学过程，如果仅从实验表象着手弄清其中的物理现象，需要海量的实验验证。为探索纳米剪纸中蕴含的科学思想，2017年，李家方赴美国麻省理工学院（MIT）进行了为期三个月的合作研究，得到了MIT博士生杜汇丰和方绚莱教授的鼎力支持。

杜汇丰和方绚莱都是纳米制造领域的顶级专家，他们帮助建立了有效的材料和力学模型，对纳米剪纸的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。

李家方指出，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”。

应用前景广阔

李家方表示，在应用方面，以往的宏观剪纸技术采用多道复杂工序，结构尺寸多在数厘米到数百微米范围内，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，国际合作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。

李家方解释道，当一个结构对任何平面都不具备镜面对称性时，我们说这种结构具有内在的手征特性，如各类螺旋线或螺旋体结构。但要构建光学手征特性，需要实现结构对左旋和右旋圆偏振光的不同响应，包括吸收/透射和相位两方面，分别体现为圆二色性和圆双折射特性，二者在生物分子识别、偏振显示、光通信等方面有着重要的应用。

基于纳米剪纸可实现三维扭曲的技术特点，国际合作团队设计并实现了一种“风车型”纳米结构阵列，观测到了强烈的圆二色性和圆双折射特性。由于该阵列结构的厚度仅约430纳米（包括衬底），其圆双折射特性超过了已报道的手征超构材料和二维平面纳米结构。

目前该研究还处于早期阶段，随着合作的深入，李家方指出，这一3D纳米制造技术可以应用于光学信息、传感和生物芯片领域，如构建新颖的数字微镜元件、手性分子识别传感器、超薄光学偏振转换器等。