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微納制造技術(shù)是指尺度為微米和納米量級(jí)的工業(yè)制造技術(shù)，比如芯片生產(chǎn)就屬于微納制造。近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家牽頭研發(fā)出一種名為“納米剪紙”的全新微納制造技術(shù)，前不久北京理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)運(yùn)用光電鑷精準(zhǔn)操控等創(chuàng)新技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米剪紙微型轉(zhuǎn)子的自由操控，進(jìn)一步拓寬了“納米剪紙”技術(shù)的應(yīng)用前景。
在北京理工大學(xué)物理學(xué)院先進(jìn)納米制造與微納光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，李家方教授正在演示納米剪紙轉(zhuǎn)子的制造、取出、轉(zhuǎn)移，以及控制其運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。在顯微鏡下，直徑只有10微米大小的納米剪紙轉(zhuǎn)子在光電鑷的操控下，從平躺狀態(tài)被豎立起來(lái)，向不同的方向滾動(dòng)前行。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授李家方：我們知道光鑷是2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，它是可以控制平移，左右來(lái)回動(dòng)，它可以控制結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)。但是有一個(gè)（運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）它還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，就是我們的滾動(dòng)。我們?cè)谶@個(gè)工作里面，我們實(shí)現(xiàn)了光學(xué)操控的結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)，你可以想象結(jié)構(gòu)可以來(lái)回地滾動(dòng)。
李家方教授介紹，納米剪紙微型轉(zhuǎn)子10微米的尺寸僅相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的十分之一左右，如此小的零件目前還無(wú)法通過(guò)車床等設(shè)備進(jìn)行制造和操控。他們巧妙利用了納米剪紙?zhí)厥獾奈锢硖匦?，運(yùn)用光電鑷子實(shí)現(xiàn)了對(duì)它的光學(xué)無(wú)接觸式的自由操控，還進(jìn)而通過(guò)光束圖案編程，實(shí)現(xiàn)了微型轉(zhuǎn)子的自動(dòng)操控。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授李家方：首先它是可以驅(qū)動(dòng)的，用光學(xué)驅(qū)動(dòng)，第二個(gè)就是它可以進(jìn)行組裝，比如說(shuō)我也可以組裝這樣一個(gè)雙面的，我也可以讓他們以各種形式交疊，互相交互式的有一個(gè)聯(lián)動(dòng)的功能。
專家介紹，這一創(chuàng)新研究可以使人類對(duì)微納器件復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制變得更容易，為未來(lái)光電驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人、新型微納光機(jī)電系統(tǒng)等研究開(kāi)發(fā)提供了全新的思路。
納米剪紙開(kāi)創(chuàng)微納制造新路徑那么究竟什么是“納米剪紙”呢？顧名思義，就是納米尺度的剪紙，專家介紹，把剪紙做到納米尺度之后，再加上靜電、熱等就會(huì)產(chǎn)生神奇的變化。這一技術(shù)可以說(shuō)開(kāi)創(chuàng)了微納制造的全新路徑。
專家介紹，納米剪紙靈感來(lái)源于中國(guó)的傳統(tǒng)技藝剪紙，可以想象將傳統(tǒng)剪紙中的紙張?zhí)鎿Q成納米薄膜，將剪刀替換成半導(dǎo)體技術(shù)的刻蝕工具，再施加一定的應(yīng)力，就形成了功能獨(dú)特的納米剪紙結(jié)構(gòu)，而這一技術(shù)的發(fā)明則是來(lái)自偶然的觀察。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授李家方：在2018年的時(shí)候，我們注意到在我們微納加工過(guò)程中有一些應(yīng)力。這些應(yīng)力本身呢，大家想避免，因?yàn)樗梢詫?dǎo)致我們器件的一些不需要的功能，但是我們發(fā)現(xiàn)我們可以通過(guò)應(yīng)力像剪紙一樣控制我們的結(jié)構(gòu)形變。這樣的話，我們反其道而行，將納米剪紙結(jié)構(gòu)制備出來(lái)，然后它的尺寸可以達(dá)到1微米以下的尺度。它和我們的剪紙非常像，只是把它縮小到納米尺度，所以我們把它稱之為納米剪紙。
專家介紹，納米剪紙技術(shù)制造的微納器件的特殊性在于，這是一種外形可以在一定條件下發(fā)生變化的微小器件。以螺旋形結(jié)構(gòu)的器件為例，正常情況下它是一種平面狀態(tài)，加電之后，在靜電的影響下，螺旋結(jié)構(gòu)就如同帶靜電的頭發(fā)會(huì)立起來(lái)一樣，由平面變?yōu)榱Ⅲw，這個(gè)有趣的現(xiàn)象給納米剪紙的應(yīng)用帶來(lái)了巨大的想象空間?？蒲腥藛T首先想到的就是，這個(gè)特性可以用來(lái)制作顯示裝置。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授李家方：圖案實(shí)際上是由納米剪紙這個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生形變以后產(chǎn)生的。最開(kāi)始的我們的納米剪紙結(jié)構(gòu)是一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，是一個(gè)二維的，然后我們加完電以后，那么有一些結(jié)構(gòu)就會(huì)像模型一樣會(huì)把它凸起來(lái)，它凸起來(lái)以后，它對(duì)光的反射以及散射就會(huì)發(fā)生變化，我們就能看到這個(gè)圖案。
納米剪紙應(yīng)用前景廣泛納米剪紙技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，全球多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)納米剪紙的特性和應(yīng)用開(kāi)展了大量研究，對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用前景已經(jīng)有了一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)，專家預(yù)測(cè)納米剪紙不僅會(huì)給未來(lái)顯示器制造和使用帶來(lái)巨大變化，還能應(yīng)用于傳感器、激光雷達(dá)等多個(gè)領(lǐng)域。
在北京理工大學(xué)物理學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里，研究團(tuán)隊(duì)向記者展示了另一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用黃金薄膜制造納米剪紙顯示裝置整體尺寸還不到50微米，在顯微鏡下，隨著電壓變化，顯示器上循環(huán)顯示北京理工大學(xué)的縮寫(xiě)字母“BIT”。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院博士研究生洪孝榮：最小的一個(gè)黑點(diǎn)，算是一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，這個(gè)結(jié)構(gòu)單元的話，它的結(jié)構(gòu)本身所占據(jù)的跨度空間是1.6微米。
專家告訴記者，科學(xué)家已經(jīng)證實(shí)這一全新工藝在成像顯示器件方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)在投影顯示、全息顯示、計(jì)算成像等方面用途廣泛。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授李家方：我們現(xiàn)在很多的可穿戴設(shè)備，比如說(shuō)虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡，它都比較笨重，其中一個(gè)很重要的原因就是它們光學(xué)的器件都比較大，當(dāng)我們用納米剪紙這樣一個(gè)微投影的顯示芯片放在里面以后呢，那它可以把這個(gè)做得更小，甚至可以做到和我們平常的眼鏡重量相當(dāng)。
除了顯示器件之外，研究人員發(fā)現(xiàn)納米剪紙可以影響光的偏振、相位、強(qiáng)度等，這些特性可以應(yīng)用于新型激光雷達(dá)的開(kāi)發(fā)。另外由于納米剪紙具有靈活的光譜調(diào)節(jié)能力，也可以應(yīng)用于光譜儀等。除此以外，不同材質(zhì)和形狀結(jié)構(gòu)的納米剪紙器件對(duì)壓力、溫度、濕度等多種物理現(xiàn)象也表現(xiàn)出敏感性，這些特殊的物理特性，為未來(lái)傳感器的開(kāi)發(fā)也帶來(lái)了全新思路。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院教授李家方：我們知道這個(gè)結(jié)構(gòu)它具有彈性，它可以傳感外界的一些變化，比如說(shuō)溫度、應(yīng)力，還有濕度等等，還有甚至是磁場(chǎng)，還有聲音的這些感受，它都可以來(lái)做一個(gè)傳感器，它有非常大的想象空間，就像我們剪紙一樣千變?nèi)f化，它的應(yīng)用將來(lái)也可以做到千變?nèi)f化。
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