封面图（图片来演：Nat. Mater. 15, 583–588 (2016).）
撰稿 | 李家方（课题组供稿）
近期，北京理工大学李家方教授与华南理工大学李志远教授团队合作，在国际光学领域权威期刊 Light: Science & Applications 上发表长篇综述论文，对近年来新兴的三维剪纸与折纸制造技术的原理与方法，以及二维平面材料与结构在微纳尺度三维形变构筑的实现、应用、挑战和发展趋势，进行了全面的介绍和深入的讨论。
历史背景
高精密的三维微纳制造是当代信息技术，包括微电子技术得以建立和发展的重要基础。
其中，自上而下（top-down）的“减材制造”和自下而上（bottom-up）的“增材制造”方式几乎覆盖了整个精密制造领域，包括成熟的半导体集成芯片领域及新兴的3D打印领域。
近年来，三维剪纸和折纸技术以其独特的制造方式在力学、微电子、声学、光学等领域得到了广泛的重视，其最大的特点是材料本身的质量在三维重构过程中几乎不发生改变，既非“增材”也不“减材”，通过几何变换的方式即可使结构所占空间发生几个数量级的变化，蕴涵着深邃的科学变换思想。
特别是2010年以来，纳米科技的发展使得剪纸与折纸技术在微纳尺度逐渐发展，它无须平面堆栈工艺所要求的精准拼接，就能将二维材料或结构直接变换为三维立体形态，所实现的结构在连续性、复杂性、几何演化、动态调谐等方面独具特色，为新奇物性的探索和应用构建了一类新的平台。
2018年李家方、李志远及合作者发明了基于聚焦离子束刻蚀的纳米剪纸术，实现了世界上最小的纳米剪纸结构[Science Advances 4, eaat4436 (2018)]。
2019年中科院物理所高鸿钧及合作者基于扫描隧道显微技术，实现了世界上最小的石墨烯纳米折纸材料[Science 365, 1036 (2019)]。
这些由中国学者创新的研究工作，极大地推动了剪纸/折纸技术概念与科学思想在微纳尺度的融合，并发展成为特色鲜明的一个前沿研究领域。
微纳尺度三维剪纸与折纸技术的实现方法
剪纸是中国古老的传统民间艺术之一，包括剪裁和变形两个工艺；而折纸则指不包含剪裁步骤的连续形变。
现代科学技术领域将剪纸和折纸概念进行延伸，使其发展成为泛指质量恒定的连续形变科学和技术。
在宏观尺度，基于剪纸和折纸概念和技术的应用已经十分广泛，包括形变建筑学、机械学、微机电系统（MEMS）等等，并发展了丰富的科学理论。
在微纳尺度，剪纸/折纸形变拥有传统三维微纳加工手段所不能及的特点，如独特的连续折叠、弯曲、扭曲等。
但由于常规宏观操作不适用微纳空间，因此尽管设计理论已经非常成熟，当前微纳尺度剪纸/折纸技术主要受限于形变的激励方式。
这是因为微纳尺度形变的本质是利用不同区域产生的应力差别驱使结构自身产生形变，因此要实现剪纸与折纸形变，关键是要对结构施加理想的应力分布。
针对不同的环境和材料，微纳尺度应力产生的方式主要有毛细作用力、薄膜残余应力、机械应力、材料应激应力、离子束轰击应力等等，它们均可作为微纳尺度剪纸与折纸形变的激励方式。
每一种激励方式均蕴含着丰富的物理、化学、材料、力学等学科综合的科学思想和技术方法，而且均可以通过理论上的深入理解予以设计和优化。
图1 微纳尺度剪纸/折纸的基本形变特点（折叠、弯曲、扭曲）、空间变换特征及激励方式
微纳尺度三维剪纸/折纸技术的潜在应用
微纳尺度三维剪纸/折纸技术突破了传统自下而上、自上而下、自组装等三维加工方法在几何形貌方面的局限，可以在微纳米级尺度实现折叠、弯曲、拉伸、扭转等丰富的三维形变，在二维材料、生物和光学器件、可重构系统等领域有着巨大的应用潜力。
例如剪纸/折纸技术可以实现超薄二维材料的三维重构，使石墨烯、MoS2 、WSe2、PtSe2等从单分子层转化为三维结构。
这种从二维到三维的结构转换可产生与原始二维材料完全不同的物理特性，如奇特的电子能带特征、极大的拉伸特性、可逆的光学响应和增强的光与物质相互作用等等，为进一步开发二维材料对力、热、电、磁、光、声响应的自驱动应用创造了新的可能。
图2 应用于二维材料（石墨烯，MoS2 ，WSe2，PtSe2）的剪纸/折纸技术
在生物医学方面，剪纸/折纸技术已经被应用于各种功能生物医学装置或设备的形成与组装，如多孔壁微容器、外科手术中的可伸展支架、三维组织培养支架、三维大孔纳米电子网络、以及自适应生物微型机械等等。
此外，剪纸/折纸技术还在可重构系统方面展现出了极大的发展潜力，为多个领域可调谐器件的设计、发展和性能提升提供了有效的新策略。
图3 基于剪纸/折纸技术的可重构光学应用
剪纸/折纸三维微纳制造技术的挑战与展望
作为一类新兴的发展领域，微纳尺度的三维剪纸与折纸技术还面临着诸多挑战。
首先，微纳尺度的结构设计和应力激励方式比较单一，科学设计和技术特点有待进一步发展；
其次，该领域研究方向比较分散，尚未形成系统的研究路线；再次，大面积、可集成的微纳尺度剪纸与折纸技术尚待发展；
最后，可重构剪纸/折纸技术的外部激励机制有待进一步丰富。
可以看到，新兴的剪纸与折纸技术为进一步开发、挖掘和重塑现有材料的力、热、电、磁、光、声等特性提供了一种简单而有效的手段，有望解决微纳器件领域的诸多难题。
首先，它以“自动化”的方式完成二维到三维的形态变换，将大大降低一些复杂三维微纳结构的制造难度；
其次，剪纸/折纸技术支持一些前所未见的三维几何连续变换，极大地丰富了微小物体结构的复杂性和多样性，为新物性的探索和应用提供了新的平台，例如石墨烯折叠技术可实现双层石墨烯任意角度的旋转，有助于研究其带来的超导等新奇物性；
第三，微纳尺度剪纸/折纸形变具备高度的可重构性，将在可重构纳米光学器件、微生物机械、微纳机电系统等领域发挥重要作用。
文章信息：Shanshan Chen#, Jianfeng Chen#, Xiangdong Zhang, Zhi-Yuan Li* and Jiafang Li*, “Kirigami/origami: unfolding the new regime of advanced 3D microfabrication/nanofabrication with “folding””, Light: Science & Applications 9: 75 (2020).
作者感谢北京理工大学、中科院物理所、麻省理工学院、国家自然科学基金、国家重点研发计划等合作团队和项目的支持。
本文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-020-0309-9
文章来源：中科院长春光机所·Light学术出版中心
