科學(xué)讓藝術(shù)靈動(dòng)藝術(shù)讓科學(xué)生動(dòng)

科學(xué)讓藝術(shù)靈動(dòng)藝術(shù)讓科學(xué)生動(dòng)納米知識(shí)簡(jiǎn)介納米（符號(hào)為nm）是長(zhǎng)度單位，原稱毫微米，就是10^-9米（10億分之一米），即10^-6毫米（100萬(wàn)分之一毫米）。如同厘米、分米和米一樣，是長(zhǎng)度的度量單位。相當(dāng)于4倍原子大小，比單個(gè)細(xì)菌的長(zhǎng)度還要小。納米科技現(xiàn)在已經(jīng)包括納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米化學(xué)等學(xué)科。從包括微電子等在內(nèi)的微米科技到納米科技，人類正越來(lái)越向微觀世界深入，人們認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森也曾指出，納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?，F(xiàn)在應(yīng)用于大眾生活的主要有：1.納米技術(shù)制造的電子器件：其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電子器件：工作速度快，納米電子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使產(chǎn)品性能大幅度提高。功耗低，納米電子器件的功耗僅為硅器件的1/1000。信息存儲(chǔ)量大，在一張不足巴掌大的5英寸光盤(pán)上，至少可以存儲(chǔ)30個(gè)北京圖書(shū)館的全部藏書(shū)。體積小、重量輕，可使各類電子產(chǎn)品體積和重量大為減小2.納米金屬顆粒：納米金屬顆粒的粉體可用來(lái)做成烈性炸藥，做成火箭的固體燃料可產(chǎn)生更大的推力。用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，大大提高化工合成的產(chǎn)出率。納米金屬塊體耐壓耐拉將金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，強(qiáng)度比一般金屬高十幾倍，又可拉伸幾十倍。用來(lái)制造飛機(jī)、汽車、輪船，重量可減小到原來(lái)的十分之一。3.納米陶瓷：剛?cè)岵?jì)用納米陶瓷顆粒粉末制成的納米陶瓷具有塑性，為陶瓷業(yè)帶來(lái)了一場(chǎng)革命。將納米陶瓷應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上，汽車會(huì)跑得更快，飛機(jī)會(huì)飛得更高。4.納米氧化物材料：五顏六色納米氧化物顆粒在光的照射下或在電場(chǎng)作用下能迅速改變顏色。用它做士兵防護(hù)激光槍的眼鏡再好不過(guò)了。將納米氧化物材料做成廣告板，在電、光的作用下，會(huì)變得更加絢麗多彩。納米半導(dǎo)體材料法力無(wú)邊納米半導(dǎo)體材料可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成小型的激光光源，還可將吸收的太陽(yáng)光中的光能變成電能。用它制成的太陽(yáng)能汽車、太陽(yáng)能住宅有巨大的環(huán)保價(jià)值。用納米半導(dǎo)體做成的各種傳感器，可以靈敏地檢測(cè)溫度、濕度和大氣成分的變化，在監(jiān)控汽車尾氣和保護(hù)大氣環(huán)境上將得到廣泛應(yīng)用。5.納米藥物治病救人把藥物與磁性納米顆粒相結(jié)合，服用后，這些納米藥物顆?？梢宰杂傻卦谘芎腿梭w組織內(nèi)運(yùn)動(dòng)。再在人體外部施加磁場(chǎng)加以導(dǎo)引，使藥物集中到患病的組織中，藥物治療的效果會(huì)大大提高。還可利用納米藥物顆粒定向阻斷毛細(xì)血管，“餓”死癌細(xì)胞。納米顆粒還可用于人體的細(xì)胞分離，也可以用來(lái)攜帶DNA治療基因缺陷癥。目前已經(jīng)用磁性納米顆粒成功地分離了動(dòng)物的癌細(xì)胞和正常細(xì)胞，在治療人的骨髓疾病的臨床實(shí)驗(yàn)上獲得成功，前途不可限量。6.納米衛(wèi)星將飛向天空在納米尺寸的世界中按照人們的意愿，自由地剪裁、構(gòu)筑材料，這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù)。納米加工技術(shù)可以使不同材質(zhì)的材料集成在一起，它既具有芯片的功能，又可探測(cè)到電磁波(包括可見(jiàn)光、紅外線和紫外線等)信號(hào)，同時(shí)還能完成電腦的指令，這就是納米集成器件。將這種集成器件應(yīng)用在衛(wèi)星上，可以使衛(wèi)星的重量、體積大大減小，發(fā)射更容易，成本也更便宜。微納米人物藝術(shù)（科普－附圖）沈海軍文

一、引

言作為社會(huì)的主宰，人類創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)、政治、軍事、體育….同時(shí)也創(chuàng)造了文化和藝術(shù)。在人類的文藝活動(dòng)中，他既是文藝創(chuàng)作的主體，同時(shí)也是文藝創(chuàng)作的對(duì)象和素材；譬如，舞蹈、繪畫(huà)、雕塑、曲藝、電影中，人物形象都長(zhǎng)期以來(lái)占據(jù)著舉足輕重的位置。二十世紀(jì)末至本世紀(jì)初，納米技術(shù)的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)藝術(shù)帶來(lái)了巨大沖擊。其中，一個(gè)重要的特征就是藝術(shù)作品的小型化與微型化，即人們希望借助微納米等高科技手段用極少的原材或代價(jià)生產(chǎn)更多、更優(yōu)秀的藝術(shù)作品[1]。這一特征在微納米人物藝術(shù)創(chuàng)作方面尤為突出。以人物雕塑為例，陜西乾陵武則天無(wú)字碑前的參拜石像，高度和普通人相當(dāng)；清朝張潮的《核舟記》中記載的桃核小船長(zhǎng)不盈寸；英國(guó)當(dāng)代微雕大師威拉德，借助顯微鏡，在大頭針上仿照法國(guó)藝術(shù)大師羅丹的著名雕塑“思想者”，成功雕刻了人物身高約1毫米的微縮版；2007年，兩位意大利納米藝術(shù)家Scali和Goode則采用“光刻”技術(shù)制作了硅自由女神像雕塑，身高僅為0.5毫米；比上述自由女神像還小的“納米”雕塑（見(jiàn)圖1（a））來(lái)自美國(guó)伯明翰大學(xué)納米研究實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)真正意義上的“納米人”（1納米＝10－9米＝10－6毫米＝10－3微米），身高只有0.0004毫米，即400納米左右，和病毒的尺寸相當(dāng)；盡管如此，伯明翰大學(xué)的“納米人”還不是最小的，目前世界上最小的雕像來(lái)自美國(guó)IBM公司的科學(xué)家。如圖1（b）所示，是一個(gè)“分子人”，塑像共由28個(gè)一氧化碳分子組成。比較一下，陜西乾陵的參拜石像高度足足為“分子人”身高的三千萬(wàn)倍。對(duì)于一般人來(lái)說(shuō)，微納觀世界是極其細(xì)微的。但在顯微鏡下，微納觀世界卻為納米藝術(shù)家提供了很大的藝術(shù)創(chuàng)作舞臺(tái)[2]?，F(xiàn)在，借助顯微鏡和先進(jìn)的微納技術(shù)，一些科學(xué)藝術(shù)家已經(jīng)可以在微觀世界里進(jìn)行人物塑像、人物雕刻、人物繪畫(huà)等，充分彰顯了微納科技與藝術(shù)的高度結(jié)合。

二、微納米人物藝術(shù)的種類

微納米人物藝術(shù)是近些年來(lái)才出現(xiàn)的一種微型藝術(shù)形式?；诓煌囊暯?，微納米人物藝術(shù)有不同的分類。從表現(xiàn)形式來(lái)講，微納米人物作品可分為人物塑像、人物繪畫(huà)、人物雕刻等。如圖2所示，這是英國(guó)當(dāng)代微雕大師WillardWigan創(chuàng)作的微雕藝術(shù)品—“針眼里的自由女神像”[3]，自由女神的身體、頭部、手足等的粗細(xì)和頭發(fā)絲相當(dāng)；再如圖3所示，這是當(dāng)代華人微雕藝術(shù)家金銀華的作品-“一根頭發(fā)絲上彩繪的40位美國(guó)總統(tǒng)”[4]；圖4則顯示的是德國(guó)CarlZeissNTS公司的科學(xué)家采用所謂的“聚焦離子束”刻蝕工藝，在硅表面雕刻的具有立體感的美國(guó)前總統(tǒng)林肯像[5]。

從制作工藝上來(lái)看，微納米人物藝術(shù)作品可分為基于傳統(tǒng)手工的作品和基于微納技術(shù)的作品?；趥鹘y(tǒng)手工的作品如圖2、圖3所示，這些微雕或微畫(huà)的創(chuàng)作過(guò)程其實(shí)和宏觀相似，靠手工完成，不過(guò)創(chuàng)作或欣賞過(guò)程中需要高倍的顯微鏡，同時(shí)，對(duì)雕刻/繪畫(huà)的工具也有很高的要求?；谖⒓{技術(shù)的作品如圖4所示，還有圖5所示的日本學(xué)者ChiakiMinari和ShinjiMatsui采用FIB-CVD（聚焦離子束-化學(xué)氣相沉積）技術(shù)在半導(dǎo)體表面上構(gòu)造的“做瑜伽的納米小人”[6]?；谖⒓{技術(shù)的作品創(chuàng)作通常需要能夠產(chǎn)生高能量聚焦離子束或光束的設(shè)備，有時(shí)甚至還要求苛刻的試驗(yàn)環(huán)境。

從微納米人物藝術(shù)的創(chuàng)作機(jī)理來(lái)看，又可分為基于物理方法和基于化學(xué)方法的作品。一般來(lái)說(shuō)，像圖2、圖3這種基于傳統(tǒng)手工方法創(chuàng)作的微雕或微畫(huà)大多都屬于物理方法的作品。其過(guò)程僅涉及材料的舍棄、搬移或水彩的粘附。而像圖4、圖5所示的基于微納技術(shù)的雕刻或塑像大多都可以歸結(jié)為基于化學(xué)方法的作品。這些藝術(shù)品的創(chuàng)作過(guò)程中往往要涉及到發(fā)質(zhì)表面成分的變化或新物質(zhì)的產(chǎn)生。從作品的尺度來(lái)講，微納米人物藝術(shù)作品可分為百微米量級(jí)、微納米量級(jí)以及納米級(jí)的三大類。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)手工創(chuàng)作的人物微雕或微畫(huà)都大都屬于百微米量級(jí)的，如圖2“針眼里的自由女神像”和圖3“發(fā)絲上的美國(guó)總統(tǒng)”，這些作品的特征尺寸都在幾百微米附近。基于微納技術(shù)的雕刻或塑像則大多都屬于微納米量級(jí)，如圖5所示，該做瑜伽的納米小人的高度約為2微米，但小人的胳膊、腿的粗細(xì)為數(shù)百個(gè)納米。百微米量級(jí)的作品在高倍光學(xué)顯微鏡下就能看得很清楚，而要欣賞微納米量級(jí)的作品則通常需要分辨率更高的電子顯微鏡。值得一提的是，近年來(lái)，有機(jī)化學(xué)中，人形分子的發(fā)現(xiàn)將人物藝術(shù)引入了分子尺度。如圖6所示，一個(gè)幾十余納米的分子就是一個(gè)人物形象，還真是神奇。

三、微納米人物藝術(shù)的創(chuàng)作技術(shù)1.

傳統(tǒng)的手工創(chuàng)作工藝上面講到的WillardWigan和金銀華都是當(dāng)代微雕微畫(huà)藝術(shù)的杰出代表。他們的微雕或微畫(huà)作品通常要借助光學(xué)顯微鏡來(lái)完成。以圖2WillardWigan的作品“針眼里的自由女神像”為例，其創(chuàng)作過(guò)程大致如下：首先使用極其微小的刻刀（刻刀的刃部尺寸約為發(fā)絲直徑的1/7）對(duì)金塊、砂糖?；蛏沉＿M(jìn)行微雕；雕刻這些作品時(shí)，必須保持高度注意力，呼吸均勻，并抓緊利用兩次心跳的間隔來(lái)工作；事實(shí)上，任何一點(diǎn)失誤都會(huì)毀掉整個(gè)作品。整個(gè)過(guò)程，包括作品的欣賞都需要借助高倍的光學(xué)顯微鏡來(lái)完成。再如，圖3“發(fā)絲上的40位美國(guó)總統(tǒng)”，作者金銀華同樣是在光學(xué)顯微鏡下完成的。為了在發(fā)絲表面完成40位總統(tǒng)的彩色繪制，金銀華專門用老鼠的胡須和雞毛桿制作了“鼠須筆”，同時(shí)又將普通國(guó)畫(huà)的顏料精研磨成極其細(xì)微的微型畫(huà)顏料[7]；接著，在數(shù)百倍的光學(xué)顯微鏡下對(duì)發(fā)絲表面涂抹，并繪制出了一個(gè)個(gè)鮮活的美國(guó)總統(tǒng)形象?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)的手工微雕/微畫(huà)創(chuàng)作，不僅要求藝術(shù)家要有嫻熟的技藝，同時(shí)也在考驗(yàn)藝術(shù)家的耐心和毅力。

2.

離子束（FIB）刻蝕技術(shù)

FIB刻蝕技術(shù)采用電磁場(chǎng)加速和聚焦帶電的離子，進(jìn)而可對(duì)硅等材質(zhì)的表面進(jìn)行刻蝕，如圖4所示。FIB刻蝕原理與目前市場(chǎng)上流行的光刻技術(shù)相似，但由于離子的德布羅意（物質(zhì)波）波長(zhǎng)很短，因而刻蝕精度更高。離子束光刻主要包括聚焦離子束刻蝕和離子投影刻蝕等。其中，聚焦離子束刻蝕發(fā)展得較早，也較為完備，特別是鎵離子聚焦技術(shù)。最近實(shí)驗(yàn)研究中已采用鎵離子已獲得了10納米的分辨率[8]。遺憾的是，F(xiàn)IB刻蝕技術(shù)效率低下，很難在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但這并不妨礙科學(xué)藝術(shù)家用它來(lái)開(kāi)展納米雕刻藝術(shù)創(chuàng)作。如圖5所示，該“做瑜伽的納米小人”作品在2004年國(guó)際電子束/離子束/光束技術(shù)與納米加工微觀大賽中榮獲了一等獎(jiǎng)。作品中，每個(gè)小人身高2微米左右。作品的立體程度很高，每個(gè)小人姿態(tài)的相似性極高?？芍^納米雕塑中的極品。

3.

離子束化學(xué)氣相沉積（FIB-CVD）技術(shù)

離子束化學(xué)氣相沉積技術(shù)最早是日本學(xué)者松井真二提出的。該技術(shù)需要將一根頭發(fā)置于芳烴的實(shí)驗(yàn)氣氛環(huán)境中，并采用30keV的聚焦鎵離子束在材料表面進(jìn)行化學(xué)氣相誘導(dǎo)沉積[9]。目前，利用該項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家們已經(jīng)制作了多個(gè)三維的納米結(jié)構(gòu)（雕塑）。如圖7所示，F(xiàn)IB-CVD雕塑制作的思路如下：沉積時(shí)，先固定離子束，在發(fā)絲表面誘導(dǎo)形成一個(gè)基礎(chǔ)立柱；然后離子束被移動(dòng)一個(gè)不超過(guò)立柱直徑的距離，靜止不動(dòng)直到在立柱頂端沉積出幾十納米厚度的階梯；繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程，就能使得沉積的材料層層疊加在前面沉積的結(jié)構(gòu)上；最終在材料表面構(gòu)造出復(fù)雜的三維納米結(jié)構(gòu)（塑像）來(lái)。圖5“做瑜伽的納米小人”就是FIB-CVD技術(shù)的代表作。4.

雙光束聚合技術(shù)近年來(lái)，一種被稱作“雙光束聚合”的技術(shù)已經(jīng)被發(fā)展到三維納米構(gòu)型的加工[10]，并被用于材料表面塑像的構(gòu)建。這里，最為典型的當(dāng)數(shù)韓國(guó)研究人員的雕刻作品--“思想者”，見(jiàn)圖8。該塑像高度僅為四個(gè)紅血球大小，高只有五萬(wàn)分之一米。然而，這個(gè)即便只能用顯微鏡才能看清楚的思想者，其肌肉、甚至腳趾仍清晰可見(jiàn)[10]。在納米思想者的制造過(guò)程中，Ovsianikov使用兩股激光射線照射浸在合成樹(shù)脂溶液中材料的表面，溶液中只有被兩股激光射線交叉照射到的那部分樹(shù)脂才凝固起來(lái)，形成雕塑件的“部件”，這樣的部件的精度為120納米。

5.DNA折疊術(shù)2006年，美國(guó)加州工學(xué)院納米科學(xué)家Rothemund博士創(chuàng)造出了世界上最小的人臉（見(jiàn)圖9）：DNA納米笑臉，同時(shí)這也是世界上最“有份量”的笑臉圖案。該圖案由若干條平行的DNA鏈折疊組成，相鄰的DNA之間在端部串接。DNA鏈?zhǔn)巧倪z傳物質(zhì)，鏈的粗細(xì)為幾個(gè)納米，而整個(gè)笑臉的直徑只有幾十個(gè)納米[11]。該笑臉制作所采用的工藝為“DNA折紙術(shù)”，發(fā)表于2006

年英國(guó)自然雜志。為此，Rothemund博士也被尊稱為“DNA笑臉之父”。6.

納米粒子打印技術(shù)如圖10所示，“人臉形納米太陽(yáng)徽章”為IBM公司蘇伊士實(shí)驗(yàn)室的TobiasKraus

博士繪制的[12]。該徽章采用了一種被稱作“納米粒子打印技術(shù)”的手法繪制而成，即噴墨打印機(jī)類似的原理，讓納米顆粒在材料表面有序堆積。整個(gè)圖形由大約兩萬(wàn)個(gè)60納米的金納米顆粒拼成。太陽(yáng)的形象采用擬人手法，整個(gè)徽章的直徑為幾十微米，人的眼睛、鼻子及嘴巴均為十幾微米，縱向厚度為幾百納米。

7.

微接觸印刷技術(shù)先通過(guò)光學(xué)或電子束光刻得到進(jìn)行微接觸印刷所要求的壓模。壓模常用材料為PDMS。接著，將PDMS壓模浸入含有硫醇的墨溶液中。然后將浸過(guò)墨的壓模壓到鍍金的襯底上。最后，采用濕法刻蝕（一種在溶液中進(jìn)行的刻蝕方法），或通過(guò)金膜上的單層硫醇分子來(lái)自動(dòng)鏈接某些有機(jī)分子，并在襯底上得到所需的納米圖案。2008年，奧運(yùn)會(huì)在北京隆重召開(kāi)。此時(shí)，美國(guó)西北大學(xué)的納米科學(xué)家Mirkin為奧運(yùn)會(huì)送來(lái)了一份大禮(見(jiàn)圖11)，那就是一萬(wàn)五千枚奧運(yùn)會(huì)會(huì)徽。不要覺(jué)得這沒(méi)有什么了不起，要知道，這一萬(wàn)五千枚奧運(yùn)會(huì)會(huì)徽個(gè)個(gè)尺寸都僅有幾十微米左右，所有會(huì)徽被印在一塊金的表面，只占了1平方厘米的空間，而印制這些會(huì)徽所采用的技術(shù)就是“微接觸印刷”。這種會(huì)徽如此之小，以至于一粒大米上就能放2500個(gè)會(huì)徽。會(huì)徽中的字母和數(shù)字―“Beijing2008”是由大約2萬(wàn)個(gè)直徑為90納米的點(diǎn)組成的；寫(xiě)意的人形以及奧林匹克五環(huán)用大約4000個(gè)直徑為600納米的點(diǎn)構(gòu)成。

8.人形分子說(shuō)起人形分子，必須要提到一個(gè)人，那就是美國(guó)萊斯大學(xué)的化學(xué)家Tour教授。Tour教授的主要研究方向之一是有機(jī)化學(xué)，但2003年發(fā)表于《J.Org.Chem.》雜志23期上的一篇名為“SynthesisofAnthropomorphicMolecules”（“人形分子的合成”）的文章卻使得他名聲大噪。在該文中，出現(xiàn)了幾對(duì)手舞足蹈、跳著拉丁舞的“男女”分子表達(dá)式（見(jiàn)圖12）。該分子式形象之生動(dòng)，構(gòu)思之巧妙，壓倒了論文內(nèi)容的本身，讓人拍案叫絕，成為整篇文章的最大亮點(diǎn)。事實(shí)上，Tour教授發(fā)表的人形分子屬于一類被稱作“納米莆田”的化學(xué)分子。這類分子的最大特征就是分子結(jié)構(gòu)看起來(lái)酷似人的形象，這不禁會(huì)使人聯(lián)想到《格列佛游記》中描寫(xiě)的小人國(guó)居民。納米莆田分子是一大類人形分子，但它們的基本形式卻是一種被稱為“納米孩童”的分子構(gòu)型。將“納米孩童”分子溶于醇溶液中加熱，化學(xué)反應(yīng)后常常還會(huì)得到其他不同形式的人形分子，如“納米運(yùn)動(dòng)員”、“納米王后”、“納米博士”、“納米面包師”等。9.STM分子搬動(dòng)技術(shù)掃描探針顯微鏡（STM）是上世紀(jì)80年代IBM兩位科學(xué)家發(fā)明的一種儀器。利用該儀器的探針，科學(xué)家不僅可以觀察原子、分子，還可以對(duì)原子、分子人為移動(dòng)。STM也被稱作是納米科學(xué)家的“手”和“眼”。通過(guò)掃描探針顯微鏡，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)可以搬動(dòng)一個(gè)個(gè)原子、分子，親手繪制出想要的原子或分子圖案。如圖1（b），作品“一氧化碳分子人”是科學(xué)藝術(shù)家Zeppenfeld通過(guò)掃描探針顯微鏡操縱一氧化碳分子在金表面上拼成的小人[13]，28個(gè)分子組成的“人”,這下你知道什么是真正的“小人”了吧！

10.

浸筆印刷術(shù)

美國(guó)西北大學(xué)的Mirkin

研究小組近來(lái)開(kāi)發(fā)了一種被稱作“浸筆印刷術(shù)(DPN)”的技術(shù)[14]。該技術(shù)用原子力顯微鏡（在STM基礎(chǔ)上發(fā)展的一種設(shè)備）的針尖作“筆”,固態(tài)基底作“