北理工團(tuán)隊(duì)在納米剪紙像素化可重構(gòu)信息顯示方面取得突破
發(fā)布日期:2025-08-28 供稿:物理學(xué)院 攝影:物理學(xué)院
編輯:王莉蓉 審核:陳珂 閱讀次數(shù):
近日,北京理工大學(xué)物理學(xué)院/光電學(xué)院李家方教授團(tuán)隊(duì)與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)賈寶華院士、斯威本科技大學(xué)黃曉東教授團(tuán)隊(duì)開展合作,在納米剪紙像素化可重構(gòu)信息顯示領(lǐng)域取得重要突破,實(shí)現(xiàn)了納米剪紙結(jié)構(gòu)陣列的單像素實(shí)時(shí)操控以及自由編碼光學(xué)信息顯示應(yīng)用。該創(chuàng)新成果于近期發(fā)表在《自然》子刊Nature Communications上,為李家方教授團(tuán)隊(duì)近兩個(gè)月在該雜志上發(fā)表的第三篇工作。
可形變微納結(jié)構(gòu)因其卓越的可調(diào)控和可編程特性,已在光學(xué)和力學(xué)超材料領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注,其多樣化幾何形變、重構(gòu)和組裝特征已在仿生學(xué)、柔性電子學(xué)、四維打印、機(jī)器材料、三維微/納米機(jī)器人以及刺激響應(yīng)致動(dòng)器等方向獲得重要應(yīng)用。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中,決定微納形變結(jié)構(gòu)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素是結(jié)構(gòu)的形變調(diào)控能力。例如,在微機(jī)電系統(tǒng)中,結(jié)構(gòu)重構(gòu)能力和調(diào)制位移幅度就受限于形變單元在有限空間內(nèi)的位移變化幅度。因此,提高結(jié)構(gòu)的形變能力,即形變度(Deformability),對(duì)于開發(fā)具有高性能和多功能的動(dòng)態(tài)可調(diào)微納器件至關(guān)重要。

圖1. 超高形變度納米剪紙合成設(shè)計(jì)策略及其信息顯示概念示意圖。
在這方面,剪紙形變技術(shù)因其出色的平面到立體形態(tài)變化能力引起了研究人員的極大關(guān)注,其中宏觀尺度的大形變剪紙結(jié)構(gòu)已在醫(yī)療、超材料和可拉伸器件等領(lǐng)域得到了相關(guān)應(yīng)用。近年來(lái),隨著先進(jìn)微納制造技術(shù)的發(fā)展,基于力、熱、電和磁驅(qū)動(dòng)機(jī)制的納米剪紙結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了優(yōu)異的三維納米形變能力,并在光學(xué)可重構(gòu)調(diào)控、光操控技術(shù)等學(xué)科交叉方面展現(xiàn)出優(yōu)異性能。李家方教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)于2018年首創(chuàng)納米剪紙三維微納制造技術(shù)[Sci. Adv. 4, eaat4436 (2018)],2021年發(fā)展納米光機(jī)電調(diào)控新機(jī)制[Nat. Commun. 12, 1299 (2021)],2024年實(shí)現(xiàn)納米剪紙轉(zhuǎn)子光電鑷自由操控[Sci. Adv. 10, eadn7582 (2024)],2025年連續(xù)突破硅基納米剪紙技術(shù)[Nat. Commun. 16, 5512 (2025)]、納米剪紙-液晶集成動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制[Nat. Commun. 16, 6569 (2025)]、納米剪紙像素化可重構(gòu)信息顯示應(yīng)用[Nat. Commun. 16, 7843 (2025)],形成了從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用開發(fā)的完整技術(shù)路線。
在極小的空間尺度內(nèi)制備大形變度納米剪紙結(jié)構(gòu),并獲得高性能的動(dòng)態(tài)調(diào)控是微納光機(jī)電領(lǐng)域的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。在該工作中研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于合成設(shè)計(jì)策略的超高形變度納米剪紙結(jié)構(gòu)(圖1)。通過(guò)精心設(shè)計(jì)基于阿基米德螺旋曲線的納米剪紙構(gòu)型,利用數(shù)值分析結(jié)構(gòu)形變過(guò)程的應(yīng)力和應(yīng)變分布變化,闡釋出結(jié)構(gòu)易于產(chǎn)生大形變的力學(xué)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)上,采用團(tuán)隊(duì)所發(fā)展的納米剪紙三維微納制造技術(shù),成功精準(zhǔn)制備出多種結(jié)構(gòu)參數(shù)的合成納米剪紙結(jié)構(gòu),并借助原子力顯微鏡(AFM)的高精密納米尺度力學(xué)表征手段,開展了合成納米剪紙結(jié)構(gòu)的循環(huán)壓力測(cè)試,論證了結(jié)構(gòu)持久的彈性形變特征(圖2)。

圖2. 超高形變度合成納米剪紙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)及AFM耐久性測(cè)試。
為深入探究合成納米剪紙的功能應(yīng)用潛力,團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)不同角度參數(shù)的阿基米德螺旋曲線陣列進(jìn)行機(jī)電可重構(gòu)測(cè)試,揭示了“結(jié)構(gòu)參數(shù)-結(jié)構(gòu)剛度-調(diào)控電壓-調(diào)制對(duì)比度”之間的映射規(guī)律,發(fā)現(xiàn)240°和270°結(jié)構(gòu)的微小差異即可導(dǎo)致極為顯著的光學(xué)對(duì)比度?;谠撘?guī)律,通過(guò)巧妙地將這兩種結(jié)構(gòu)編碼組合成特定設(shè)計(jì)的信息圖案,實(shí)現(xiàn)了近乎完美的動(dòng)態(tài)可逆光學(xué)信息加密應(yīng)用,最小像素達(dá)到2.2微米。
在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)超小像素結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行單像素化自由操控是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn),對(duì)于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)且自由可編程的光學(xué)信息顯示具有重大意義。本工作基于多線尋址電學(xué)編碼控制方案(圖3),將納米剪紙結(jié)構(gòu)制備在定制化電極的光學(xué)芯片上,通過(guò)外部編程控制實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單元的單個(gè)、多個(gè)、陣列以及信息編碼圖案的可重構(gòu)光學(xué)微型顯示,為發(fā)展高分辨可重構(gòu)信息微顯示應(yīng)用提供了一種全新的研究范式。

圖3. 合成納米剪紙結(jié)構(gòu)陣列的像素化自由編碼信息顯示。
本工作基于超高形變度納米剪紙發(fā)展了一種新型的可重構(gòu)信息顯示策略,為可形變微納結(jié)構(gòu)及器件的發(fā)展和應(yīng)用提供了全新思路。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)挖掘納米剪紙?jiān)O(shè)計(jì)構(gòu)型及力學(xué)特性,精準(zhǔn)構(gòu)筑了超高形變度納米剪紙三維可形變結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)微小變化即可產(chǎn)生力學(xué)剛度/光學(xué)對(duì)比度的顯著差異,并基于此實(shí)現(xiàn)了機(jī)電可重構(gòu)納米剪紙陣列的像素化獨(dú)立操控以及高分辨率自由編碼信息顯示應(yīng)用。這些發(fā)現(xiàn)為多通道信息加密、可重構(gòu)力學(xué)/光學(xué)超材料、可調(diào)光子學(xué)/聲子學(xué)以及新型MOEMS/NOEMS等領(lǐng)域的創(chuàng)新研究提供了全新范式。北理工洪孝榮博士(現(xiàn)集成電路與電子學(xué)院特立博士后)、孫浩哲博士生以及武漢理工大學(xué)孟飛副教授為論文的共同第一作者,澳大利亞斯威本科技大學(xué)黃曉東教授、皇家墨爾本理工大學(xué)賈寶華院士、北理工李家方教授為論文的通訊作者。研究團(tuán)隊(duì)感謝北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心、懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置(SECUF)微納加工實(shí)驗(yàn)室等平臺(tái)和團(tuán)隊(duì)給予的支持與幫助。該交叉學(xué)科研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金(基礎(chǔ)科學(xué)中心、國(guó)家杰出青年基金和面上項(xiàng)目)等項(xiàng)目的支持。
文章信息(#為共同一作;*為通訊作者):
Xiaorong Hong#, Haozhe Sun#, Fei Meng#, Meihua Niu, Yongyue Zhang, Xiaochen Zhang, Chongrui Li, Yingying Chen, Qingliang Jiao, Qinghua Liang, Weikang Dong, Yang Wang, Han Lin, Xiaodong Huang*, Baohua Jia*, Jiafang Li*, “Synthetic nano-kirigami with high deformability for reconfigurable information displays”, Nat. Commun.16, 7843 (2025).
分享到:
