剪紙作為中國(guó)最古老的傳統(tǒng)藝術(shù)之一，已有上千年的歷史，被廣泛應(yīng)用在各類窗花、賀卡、儀式和節(jié)日所用的裝飾中。但正如中國(guó)很多傳統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展歷程一樣，早期的人們并沒有關(guān)注到剪紙技術(shù)中的科學(xué)思想。反而是中國(guó)紙文化在公元6世紀(jì)傳播到日本之后，剪紙方法得到了詳細(xì)記錄并不斷積累和發(fā)展。因此，現(xiàn)代科學(xué)中“剪紙”的英譯詞“kirigami”實(shí)際上出自于日語（命名于1962年，kiri意為“剪”，gami意為“紙”），導(dǎo)致很多學(xué)者認(rèn)為剪紙藝術(shù)起源于日本，盡管中國(guó)出土的文物“北朝對(duì)馬團(tuán)花剪紙”早已形成于公元386-581年期間。與剪紙相對(duì)應(yīng)的還有我們熟知的折紙藝術(shù)的英文名稱“origami”，同樣來源于日語（ori意為“折”）。 GF5^\Rf  
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　　近年來，剪紙和折紙技術(shù)在科學(xué)界得到了廣泛的重視，包括美國(guó)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，這是由于看似簡(jiǎn)單的剪紙和折紙技術(shù)中其實(shí)蘊(yùn)涵著深邃的科學(xué)思想。例如常見的立體剪紙賀卡就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)，其衍生出來的立體幾何變換知識(shí)非常豐富，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。因此，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，包括外太空飛行器的太陽能帆板折疊技術(shù)，微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS），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)。 ]@0NO;bK>F  
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　　最近，針對(duì)國(guó)家在三維納米制造領(lǐng)域的重大需求，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理實(shí)驗(yàn)室L01組博士李家方負(fù)責(zé)發(fā)起了一個(gè)探索納米剪紙技術(shù)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，包括物理所博士生劉之光、麻省理工學(xué)院博士生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)和物理所研究員陸凌。該團(tuán)隊(duì)從中國(guó)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)，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。該項(xiàng)研究成果以Nano-kirigami with giant optical chirality 為題于7月6日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。 ltD37QZQ  
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　　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）作為“剪裁”手段，利用低劑量全局幀掃描的FIB作為“形變”手段，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，加工的三維金屬結(jié)構(gòu)分辨率在50nm以下，約為頭發(fā)絲直徑的兩千分之一。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。該方法突破了傳統(tǒng)自下而上（bottom-up）、自上而下（top-down）、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)。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；在李志遠(yuǎn)的建議下，研究團(tuán)隊(duì)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，并對(duì)該技術(shù)在光、機(jī)、電等多個(gè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用進(jìn)行了探討。 Ns[ym>x#2  
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　　納米剪紙技術(shù)中涉及豐富的動(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，需要海量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為探索納米剪紙中蘊(yùn)涵的科學(xué)思想，李家方在2017年遠(yuǎn)赴美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）進(jìn)行了為期三個(gè)月的合作研究。而合作團(tuán)隊(duì)杜匯豐和方絢萊正是該領(lǐng)域的頂級(jí)專家，他們迅速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(cè)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。同時(shí)，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，有望可以根據(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。 +{L<? "  
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　　在應(yīng)用方面，以往的宏觀剪紙技術(shù)采用多道復(fù)雜工序和復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)尺寸多在數(shù)厘米到數(shù)百微米范圍，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，該研究團(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(shì)，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（chirality）。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（circular dichroism）和圓雙折射特性（circular birefringence），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�；�于納米剪紙可實(shí)現(xiàn)三維扭曲的技術(shù)特點(diǎn)，研究團(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(cè)到了強(qiáng)烈的圓二色性和圓雙折射特性�？紤]到該陣列結(jié)構(gòu)的厚度僅為約430nm（包括襯底），其對(duì)應(yīng)的最大偏振旋轉(zhuǎn)靈敏達(dá)到了200,000o/mm以上，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)。 Vw&HVo  
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　　該研究工作還得到了物理所微加工實(shí)驗(yàn)室和光物理實(shí)驗(yàn)室多位老師和同學(xué)的支持，特別是自2015年開始微加工實(shí)驗(yàn)室及團(tuán)隊(duì)成員參與發(fā)展的FIB線掃描應(yīng)變折疊技術(shù)[Light: Science & Applications 4, e308 (2015); Sci. Rep. 6, 27817 (2016); Sci. Rep. 7: 8010(2017)]，為納米剪紙中全局幀掃描下的應(yīng)力自平衡和閉環(huán)形變技術(shù)提供了重要的技術(shù)參考。 ^>N]H>0'S  
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　　該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委(61475186, 61675227, 11434017)、科技部(2017YFA0303800)、國(guó)家留學(xué)基金委員會(huì)（201704910310）及美國(guó)相關(guān)研究基金的資助�！� d R]Q$CJ  
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