ナノペーパー切り紙技術の進歩と3次元光超キラル体の研究

中国最古の伝統芸術の一つである切り紙は、数千年の歴史があり、さまざまな窓飾り、グリーティングカード、儀式や祭りの装飾に広く使用されています。しかし、多くの中国の伝統技術の発展の歴史と同様に、初期の人々は切り紙技術における科学的な考えに注意を払っていませんでした。それどころか、6世紀に中国の紙文化が日本に伝わってからは、切り紙の技法が詳細に記録され、蓄積・発展していきました。そのため、現代科学における「紙切り」の英訳「切り紙」は、実は日本語（1962年に命名され、「切り」は「切る」を意味し、「紙」は「紙」を意味する）に由来しており、多くの学者は切り紙芸術は日本で始まったと考えています。ただし、中国で発掘された「北朝対馬団花切り紙」は、西暦386年から581年の間にすでに形成されていました。紙を切り抜くことに対応するのは、よく知られている折り紙の芸術の英語名「origami」で、これも日本語に由来しています（「折る」を意味する）。

図1. マクロ紙切りとナノ紙切り。 (A) マクロ的な紙の切断プロセス。 (B) FIBエッチングとグローバルフレームスキャンを使用した、厚さ80nmの懸架金膜上のナノペーパー切り紙プロセス。 (C、G) マクロな切り紙構造の走査型電子顕微鏡写真と、それに対応する (F、J) ナノ切り紙の三次元構造。 (D、H) 3次元変形前の2次元構造パターンと(E、I) 変形後の3次元ナノ構造パターンの上面図。マクロ構造とナノ構造の比率は約 10,000:1 です。スケールバー: 1 μm。
近年、切り紙や折り紙の技法は科学界で広く注目されています。米国のハーバード大学、マサチューセッツ工科大学、ノースウェスタン大学など、多くの有名な研究チームが特別な研究を行っています。これは、一見単純な切り紙や折り紙の技法に、実は奥深い科学的アイデアが含まれているからです。例えば、一般的な立体切り絵グリーティングカードには、2次元平面構造から3次元構造への変形の科学が含まれています。3次元幾何学変換の派生知識は非常に豊富です。注目すべき特徴は、変形プロセス中に構造が占める空間のサイズが数桁変化することであり、この変化を駆動するために必要なエネルギー設計は非常に巧妙です。そのため、現代の材料と製造の大きな進歩と相まって、宇宙船の太陽電池パネルの折り畳み技術、マイクロナノ電気機械システム（MEMS / NEMS）、変形可能なアーキテクチャ、特定の性能を持つ機械、生物、光学デバイス、さらにはDNAナノカットと折り畳み技術など、多くの分野で紙の切り抜きと折り紙の技術が開発されてきました。

図 2. 形態誘起応力自己バランスと閉ループ変形に基づくナノ切り紙技術。 (A) ナノペーパー切り紙中の金ナノフィルムの変形の物理的メカニズム。 (BE) ナノペーパーカットによって形成される2次元構造パターン、3次元構造、およびその理論シミュレーション結果。 (FH) ナノ切り紙によって作製された、特殊な形態を持つ3次元ナノ構造。スケールバー: 1 μm。
最近、中国科学院物理研究所/北京国家凝縮物質物理研究所光物理研究室L01グループの李家芳博士は、三次元ナノ製造分野における国内の主要なニーズに応えて、同研究所博士課程学生の劉志光、MIT博士課程学生の杜慧鋒、Nicholas X. Fang教授、華南理工大学の李志遠教授、および物理研究所L01グループリーダーの呂玲研究員を含むナノ切り紙技術を探求する国際協力チームを立ち上げました。研究チームは、中国の伝統的な切り紙からインスピレーションを得て、ナノスケールでのオンチップのその場切り紙技術を初めて実現し、特定の形態を持つ3次元ナノ構造を準備し、通信帯域での光超キラル体の構築を達成しました。研究成果は「巨大光学キラリティーを持つナノ切り紙」というタイトルで、7月6日にサイエンス誌の子会社であるサイエンス・アドバンス誌に掲載された。

図3. ナノ切り紙技術に基づく3次元光学超キラル体の構築。（AC）構造設計のアイデア。 (D) 3つの風車型ナノ構造の理論設計と(E)実験的実証。スケールバー: 1 μm。
この研究では、劉志光博士と李家芳博士は、高線量集束イオンビーム（FIB）を「切断」方法として、低線量グローバルフレームスキャンFIBを「変形」方法として使用して、懸濁した金ナノフィルムを2次元平面から3次元構造にその場で変換しました。処理された3次元金属構造の解像度は50nm未満で、これは髪の毛の直径の約2000分の1です。基本原理は、FIB を使用して金膜を照射すると、膜に生成された欠陥と注入されたガリウムイオンがそれぞれ異なる種類の応力を誘発し、構造が自身の形態のインテリジェントなガイダンスの下で閉ループ変換を通じて新しい機械的平衡状態に到達するというものです。
したがって、異なる初期の 2 次元パターンを設計することにより、同じスキャン条件下で、下向きまたは上向きの曲げ、回転、ねじれなどの 3 次元構造変形を実現できます。この方法は、従来のボトムアップ、トップダウン、自己組織化などのナノ加工方法の幾何学的形態の限界を打ち破り、新しいタイプの3次元ナノ製造技術です。研究チームは、呂玲研究員の刺激を受けて「ナノ紙切り」の概念を実証し、李志遠教授の提案を受けてワンステップ成形の概念を開発し、これまでの複数のプロセスによって引き起こされた不確実性を克服し、光学、機械、電子工学など複数の分野でこの技術の潜在的な応用を模索しました。

図4. ナノ切り紙に基づく3次元風車型ナノ構造アレイの超キラル特性。 (A) FIB で加工した 2 次元風車状構造と (B) ナノペーパー切断で形成した 3 次元風車状構造アレイ。 (C) 左巻きおよび右巻きの 3 次元風車型構造の上面図。 (D、E) 2次元および3次元風車型構造アレイの円二色性スペクトルと偏光回転スペクトル（円複屈折特性に対応）の比較。ナノ切り紙が構造の光学特性に大きな変化をもたらすことを示しています。 (F) (E) に対応する各波長における偏光回転の極座標プロット。理論と実験はよく一致しています。スケールバー: 1 μm。
ナノペーパーカッティング技術には、さまざまな動的プロセスが関わっています。関連する物理現象を理解するために、実験現象から始めるだけでは、膨大な量の実験検証が必要になります。ナノペーパーカッティングに含まれる科学的アイデアを探求するために、李家芳博士は2017年に米国のマサチューセッツ工科大学（MIT）を訪れ、3か月間の共同研究を行いました。共同チームのMIT博士課程学生のHuifeng Du氏とXuanlai Fang教授は、この分野のトップエキスパートです。彼らは、効果的な材料と機械モデルの確立に迅速に貢献し、ナノペーパーカットの動的プロセスを完璧に再現し、ナノペーパーカットの結果を正確に予測し、コンピューター上で構造の試みを迅速に完了できるようにし、新しい構造の設計に建設的なアイデアを提供しました。同時に、ナノメカニカル構造モデルは構造内部の応力分布も提供し、構造の最適設計のための効果的な参考資料となります。さらに重要なのは、協力チームが「ナノメカニクスとナノフォトニクス」の統合研究システムを構築し、目標機能に応じてナノペーパーの切断を逆設計および機械最適化し、3次元インテリジェントナノ製造に新たな技術ソリューションを提供することが期待されていることです。
応用面では、これまでのマクロな紙切り技術は、複数の複雑なプロセスと複合材料を使用し、構造寸法は数センチメートルから数百ミクロンの範囲にあることがほとんどであったため、オンチップのインサイチュ製造を実現することは難しく、その応用は主に機械工学や力学の分野に限定されていました。これに対し、研究チームが開発したナノペーパー切り紙技術は、ナノスケールの処理規模が小さく、単一材料、インサイチュー、オンチップ統合の利点があり、光学的超キラリティーの構築など、光応答性機能構造の実現に役立ちます。構造がどの平面に対しても鏡映対称性を持たず、さまざまな種類のらせん構造や螺旋構造などのように、その構造には固有のキラル特性があるといわれます。しかし、光学キラル特性を構築するには、吸収/透過および位相を含む左回りおよび右回りの円偏光に対する構造の異なる応答を実現する必要があります。これらはそれぞれ円二色性および円複屈折として現れます。どちらも、生体分子認識、偏光ディスプレイ、光通信などで重要な用途があります。研究チームは、3次元の歪みを実現できるナノペーパーカッティングの技術的特徴に基づいて、「風車型」ナノ構造アレイを設計・実装し、強い円二色性および円複屈折特性を観察しました。アレイ構造の厚さがわずか約 430nm (基板を含む) であることを考慮すると、対応する最大偏光回転感度は 200,000o/mm を超え、報告されているキラルメタマテリアルや 2 次元平面ナノ構造を上回ります。
この研究は、中国科学院物理研究所の微細加工研究室と光物理研究室の多くの教員や学生からも重要な支援を受けており、特に微細加工研究室とそのチームメンバーが2015年から開発してきたFIBラインスキャン歪み折り畳み技術[Light: Science & Applications 4, e308 (2015); Sci. Rep. 6, 27817 (2016); Sci. Rep. 7: 8010(2017)]は、ナノペーパーカッティングにおけるグローバルフレームスキャン下での応力自己バランスと閉ループ変形技術に重要な技術的参考資料を提供しました。
出典：中国科学院物理研究所

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