“剪紙”藝術中的高科技

林寬雨

一張紙和一把剪刀聚在一起，就能剪裁出一幅美麗的剪紙畫。剪紙作為中國一項古老的傳統藝術，已經有上千年的歷史了。隨著時間的推移，剪紙的方法、樣式等也越來越豐富。近年來，剪紙藝術已經從民間走進了科學界。很多著名大學研究團隊發現，這些看似簡單的剪紙技術中其實蘊含著深邃的科學思想。“搭乘”材料和制造技術快速發展的列車，這些研究團隊已經把剪紙技術應用到了微納米機電系統、形變建筑學、生物和光學器件等很多高端領域。

剪紙中的“小塊頭”

今天要給大家介紹的就是一種先進的剪紙技術，它有一個突出的特點——用來剪裁的“紙張”身材非常嬌小，不是厘米級也不是毫米級，而是我們肉眼根本看不到的納米級，人們還給這種剪紙起了一個很貼切的名字——“納米剪紙”。這項剪紙技術是由中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理實驗室李家方博士所負責的一個國際合作團隊研究出來的。他們從傳統的剪紙中獲得靈感，讓納米薄膜實現了由二維平面到三維立體結構的“華麗變身”。

神奇的“剪刀”

讓納米級的薄膜“變身”，顯然平時剪紙用的剪刀是辦不到的。在研究中，研究團隊用到了一把特別的“剪刀”，它的名字叫聚焦離子束，英文名是FIB。雖然這個名字看起來和FBI（美國聯邦調查局）有點像，但聚焦離子束跟聯邦調查局可是一點關系都沒有，這是一種用一群“抱團離子”做加工和分析的系統。“剪紙”的方式簡單來說就是讓一束離子“加速跑”后“抱成團”，然后一起去“轟炸”樣品表面，靠著這種看似簡單粗暴的方式讓樣品變成預想中的模樣。

“小剪刀”本領大

要在這么小的剪紙身上秀出花樣，沒有點真本事可不行。作為一把行走在科技前沿的“剪刀”，聚焦離子束的本領遠高于它的那些普通同伴。下面，就給大家簡單介紹幾個聚焦離子束專屬的、它的那些伙伴可能都沒聽過的“蓋世神功”。

刻蝕

聚焦離子束就是通過刻蝕讓納米剪紙變身的。這個過程大致是這樣的：聚焦離子束的火藥庫→離子源發射大量離子→高能離子朝著目標“狂奔”→離子團結起來，“抱成團”合伙“攻擊”樣品，同時作為補償，會把自身動量送給樣品中的原子或分子→樣品在被“攻擊”過程中完成變身→大功告成。沒錯，刻蝕就是這么“簡單粗暴”，不過它攻擊之后留下的可不是廢墟，而是完成“華麗變身”的納米剪紙。通過選擇合適的“彈藥”，可以讓不同材料的樣品實現“變身”的夢想。

成像

雖然聚焦離子束有本事在納米級的舞臺上秀花樣，不過納米剪紙那么小，肉眼根本看不到，我們該如何檢驗聚焦離子束的勞動成果呢？別急，這點聚焦離子束早就“想到”了，它自帶成像技術，可以實時記錄自己的工作進度。聚焦離子束的成像本領跟掃描電子顯微鏡基本—樣，都是通過接收二次離子和電子實現的。這些二次離子和電子也是在聚焦離子束“攻擊”樣品表面時誕生的，這些信號在被接收經過處理后能夠顯示出樣品的“面部特征”。雖然聚焦離子束成像能力沒有掃描電子顯微鏡那么棒，但分辨率達到5～10納米的它們已經可以很好地反映材料表層的“體貌特征”了。

沉積

除了“轟炸攻擊”，聚焦離子束還可以通過沉積的辦法完成圖形設計，不過這個方法需要一個叫氣體注入系統的同伴幫忙。在聚焦離子束到達樣品表面之前，需要氣體注入系統先將一種叫有機前驅物的氣體物質噴到樣品表面。當聚焦離子束到達樣品表面時，它會把有機前驅物分成易于揮發和不易于揮發兩個幫派，然后“趕走”易于揮發幫派，最后樣品會在圖形發生器的幫助下完成“變身”。

小剪紙，大用途

在這么優秀的“剪刀”下誕生的剪紙自然也不會差。“身材嬌小”的它們可從來沒想過要去做窗花和賀卡，它們一出生就志向遠大，比如進入高端的光學領域。研究人員利用納米剪紙的技術特點設計出了一種“風車型”的納米結構陣列。通過改變這種“風車”葉片的旋轉方向，就可以過濾掉一些“左旋”或者“右旋”的特殊的光啦！