ACS Nano | 中山大学蒋乐伦/中科大王柳团队：磁控剪纸超表面用于可编程图案化，信息加密，光和液体操控

一、背景介绍

剪纸超表面是一种基于传统剪纸艺术原理设计的二维人工结构，能够通过结构重构实现选择性通透、可调控折射和形状变化等动态调控功能。近年来，剪纸超表面在电磁波调控、光与液体操控、爬行运动与驱动器等领域展现出潜在应用价值。然而，现有的剪纸超表面，尤其在纳米尺度，仍存在功能非常局限的问题。一方面，当前的驱动方式主要是有线的，例如机械应力驱动和电驱动，限制了其应用场合。另一方面，当前的剪纸超表面的材料种类及功能比较单一，严重限制了其实际应用范围。因此，如何开发一种能够实现无线驱动且功能可拓展的剪纸超表面，从而实现功能和应用的拓展仍然是一个重大挑战。

二、文章亮点

近日，中山大学蒋乐伦教授团队联合中科大学王柳教授，结合其前期工作基础（Adv Sci，2021,e2103182和ACTA Mech Solida Sin，2023，36，594-601），提出一种具有可编程的多功能磁控剪纸超表面(magnetic kirigami metasurfaces, MKMs)，如图1所示。利用激光剪纸和编程磁化技术在磁性薄膜表面制备出具有微片阵列的可编程磁控剪纸超表面，经过编程磁化和表面修饰后可以实现信息加密、光和液体的可编程操控。

图1. 磁控可编程超表面的制造、编程及应用示意图。

MKMs的制备工艺如图2所示，首先利用激光剪纸技术在均匀磁化的含NdFeB颗粒的硅胶薄膜上加工出微片阵列，微片两端通过铰链与外框链接，在磁场驱动下能实现翻转变形。然后利用模板磁化技术将均匀磁化的微片阵列进行编程磁化，制备出具有图案化编程的MKMs。利用“0”图案磁化模板编程后MKM在磁场驱动下显示出“0”图案，利用“1”图案磁化模板重新编程后MKMs在磁场驱动下显示出“1”图案，展现出良好的编程与重新编程能力。

图2. MKMs的制备流程及可编程功能展示

进一步地，将微片表面进行功能化修饰，可以实现功能拓展。首先，将微片的正反两面分别修饰成不同颜色，MKMs的可编程特性使它能够实现图案化显示，如图3a所示。在正向（左）和反向（右）驱动磁场作用下，用含有不同图案的磁化模板进行编程，MKMs能显示出三角形和正方形（b），数字“1”和“2”（c）。利用激光的大面积、快速加工的优势，制备出具有13×60 个微片阵列的MKMs，编程后在驱动磁场下能显示出“SYSU”大面积图案（d）。利用激光加工的灵活性，能够制造出具有微片形状不同的MKMs，如三角形、圆形、六边形和八角星（e）。将加密有中山大学网站的二维码信息写入MKMs中，在磁场作用下能实现二维码的磁控动态显示与擦除（f）。此外，也可以将蒋乐伦教授课题组主页的二维码重新编程到MKM中，实现二维码信息的切换。在不施加驱动磁场的情况下，二维码是不可见的，而在磁场驱动下MKM能显示出“中山大学”网站的二维码并可以用手机直接扫描（g）。

图3. MKMs用于图案化显示及信息加密

利用MKMs编程性好及可控精度高的优点，在微片表面修饰上光控材料可以实现透光、反光、荧光及结构色的精确操控，如图4所示。利用旋转磁场控制微片阵列的旋转角度，可以实现透光率（a-c）及透光图案的动态显示（d）。在微片表面修饰上反光材料，MKMs能够利用磁场精确控制光线的反射角度（e, f）及反光图案的磁控动态显示（g）。在微片表面修饰上荧光粉，在紫外光照射下MKMs能实现“机器人”荧光图案的动态显示（h）。此外，在微片表面自组装一层纳米纤维素，在磁场作用下MKMs能实现结构色的动态调控（i）。

图4. MKMs用于光操控

在微片正/反两面分别修饰上超亲水和超疏水材料，在磁场作用下MKMs能实现液滴操控（图5a, b）。利用微片表面正/反两面不同的亲/疏水特性，MKMs不仅能形成图案化液滴阵列(c)、异形液滴阵列(d)，还能实现加密图案的印刷(e)和液滴阵列的选择性抓取（f, g）。MKMs不仅能通过微片表面操控液滴，也能利用相邻微片间隙操控液滴。编程磁化后MKMS在磁场作用下能变成”亲手抓手”和“疏水抓手”（h），两个抓手具有不同的液滴抓取行为（i），能实现相同体积液滴的选择性抓取和可控释放（j-l）。最后，利用MKMs形成图案化液滴阵列的功能，成功实现利用MKMs制备出图案化二维纳米颗粒阵列并能实现磁控动态显示（m-o），在纳米材料制备领域展示出潜在应用价值。

图5. MKMs用于液滴操控

三、总结/展望

该研究利用激光剪纸和模版辅助编程磁化技术成功制备出一种具有微片阵列的可编程多功能磁控剪纸超表面(MKMs)，该MKMs不仅能够利用磁场实现无线操控，而且可以通过编程磁化实现可编程操控。此外，该MKMs能够通过表面修饰实现功能拓展，在图案化（动态显示、信息加密）、光操控（透光、反射、荧光及结构色）和液滴操控（液滴阵列、液滴抓取、释放、印刷和图案化纳米颗粒等）三个方面展现出广泛的应用潜力。MKMs 所表现出的高度可编程、可扩展与多功能特性，在推动超表面在前沿及纳米科学领域的应用方面极具价值。

相关论文发表在期刊ACS Nano上，论文第一作者为广东技术师范大学校聘副教授王健，论文通讯作者为中山大学蒋乐伦教授，中山大学宋星仪硕士研究生，中国科学技术大学贾琇为文章共同第一作者，中山大学陈伟源博士研究生和中国科学技术大学王柳教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研究与发展计划（2024YFB3213600）国家自然科学基金（T2225010, 51975597, 12388101, 12272369 and 32171399），深圳市科技计划（KCXFZ20230731094500001， JCYJ20220818102201003）等项目的支持。

转自：https://mp.weixin.qq.com/s/kPgMv9RR0RlCYEghsmlEng?scene=1