纳米科技新突破!北理工团队实现纳米剪纸转子自由操控
微纳制造技术是指尺度为微米和纳米量级的工业制造技术,比如芯片生产就属于微纳制造。近年来,我国科学家牵头研发出一种名为“纳米剪纸”的全新微纳制造技术,前不久北京理工大学科研团队运用光电镊精准操控等创新技术,首次实现了对纳米剪纸微型转子的自由操控,进一步拓宽了“纳米剪纸”技术的应用前景。
在北京理工大学物理学院先进纳米制造与微纳光子学实验室,李家方教授正在演示纳米剪纸转子的制造、取出、转移,以及控制其运动的过程。在显微镜下,直径只有10微米大小的纳米剪纸转子在光电镊的操控下,从平躺状态被竖立起来,向不同的方向滚动前行。
北京理工大学物理学院教授 李家方:我们知道光镊是2018年的诺贝尔物理学奖,它是可以控制平移,左右来回动,它可以控制结构的转动。但是有一个(运动状态)它还没有实现,就是我们的滚动。我们在这个工作里面,我们实现了光学操控的结构的滚动,你可以想象结构可以来回地滚动。
李家方教授介绍,纳米剪纸微型转子10微米的尺寸仅相当于人类头发丝的十分之一左右,如此小的零件目前还无法通过车床等设备进行制造和操控。他们巧妙利用了纳米剪纸特殊的物理特性,运用光电镊子实现了对它的光学无接触式的自由操控,还进而通过光束图案编程,实现了微型转子的自动操控。
北京理工大学物理学院教授 李家方:首先它是可以驱动的,用光学驱动,第二个就是它可以进行组装,比如说我也可以组装这样一个双面的,我也可以让他们以各种形式交叠,互相交互式的有一个联动的功能。
专家介绍,这一创新研究可以使人类对微纳器件复杂运动的控制变得更容易,为未来光电驱动微纳机器人、新型微纳光机电系统等研究开发提供了全新的思路。
纳米剪纸开创微纳制造新路径
那么究竟什么是“纳米剪纸”呢?顾名思义,就是纳米尺度的剪纸,专家介绍,把剪纸做到纳米尺度之后,再加上静电、热等就会产生神奇的变化。这一技术可以说开创了微纳制造的全新路径。
专家介绍,纳米剪纸灵感来源于中国的传统技艺剪纸,可以想象将传统剪纸中的纸张替换成纳米薄膜,将剪刀替换成半导体技术的刻蚀工具,再施加一定的应力,就形成了功能独特的纳米剪纸结构,而这一技术的发明则是来自偶然的观察。
北京理工大学物理学院教授 李家方:在2018年的时候,我们注意到在我们微纳加工过程中有一些应力。这些应力本身呢,大家想避免,因为它可以导致我们器件的一些不需要的功能,但是我们发现我们可以通过应力像剪纸一样控制我们的结构形变。这样的话,我们反其道而行,将纳米剪纸结构制备出来,然后它的尺寸可以达到1微米以下的尺度。它和我们的剪纸非常像,只是把它缩小到纳米尺度,所以我们把它称之为纳米剪纸。
专家介绍,纳米剪纸技术制造的微纳器件的特殊性在于,这是一种外形可以在一定条件下发生变化的微小器件。以螺旋形结构的器件为例,正常情况下它是一种平面状态,加电之后,在静电的影响下,螺旋结构就如同带静电的头发会立起来一样,由平面变为立体,这个有趣的现象给纳米剪纸的应用带来了巨大的想象空间。科研人员首先想到的就是,这个特性可以用来制作显示装置。
北京理工大学物理学院教授 李家方:图案实际上是由纳米剪纸这个结构发生形变以后产生的。最开始的我们的纳米剪纸结构是一个平面结构,是一个二维的,然后我们加完电以后,那么有一些结构就会像模型一样会把它凸起来,它凸起来以后,它对光的反射以及散射就会发生变化,我们就能看到这个图案。
纳米剪纸应用前景广泛
纳米剪纸技术问世以来,全球多个科研团队针对纳米剪纸的特性和应用开展了大量研究,对这一技术的应用前景已经有了一个比较清晰的认识,专家预测纳米剪纸不仅会给未来显示器制造和使用带来巨大变化,还能应用于传感器、激光雷达等多个领域。
在北京理工大学物理学院的实验室里,研究团队向记者展示了另一个实验,在这个实验中,使用黄金薄膜制造纳米剪纸显示装置整体尺寸还不到50微米,在显微镜下,随着电压变化,显示器上循环显示北京理工大学的缩写字母“BIT”。
北京理工大学物理学院博士研究生 洪孝荣:最小的一个黑点,算是一个结构单元,这个结构单元的话,它的结构本身所占据的跨度空间是1.6微米。
专家告诉记者,科学家已经证实这一全新工艺在成像显示器件方面有独特的优势,未来在投影显示、全息显示、计算成像等方面用途广泛。
北京理工大学物理学院教授 李家方:我们现在很多的可穿戴设备,比如说虚拟现实眼镜,它都比较笨重,其中一个很重要的原因就是它们光学的器件都比较大,当我们用纳米剪纸这样一个微投影的显示芯片放在里面以后呢,那它可以把这个做得更小,甚至可以做到和我们平常的眼镜重量相当。
除了显示器件之外,研究人员发现纳米剪纸可以影响光的偏振、相位、强度等,这些特性可以应用于新型激光雷达的开发。另外由于纳米剪纸具有灵活的光谱调节能力,也可以应用于光谱仪等。除此以外,不同材质和形状结构的纳米剪纸器件对压力、温度、湿度等多种物理现象也表现出敏感性,这些特殊的物理特性,为未来传感器的开发也带来了全新思路。
北京理工大学物理学院教授 李家方:我们知道这个结构它具有弹性,它可以传感外界的一些变化,比如说温度、应力,还有湿度等等,还有甚至是磁场,还有声音的这些感受,它都可以来做一个传感器,它有非常大的想象空间,就像我们剪纸一样千变万化,它的应用将来也可以做到千变万化。