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从民间艺术到镓离子纳米剪纸制造

时间:2018-08-23  已阅读过:次

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  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,研究团队实现了“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。

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