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纳米动物艺术及其创作

发布日期:2011-8-31    发布人:施大宁    点击数:980 【字体:

纳米动物艺术及其创作

作者:沈海军

 1. 引 言 

 纳米艺术属于先锋艺术,是近年来随着纳米科技的发展而派生的一门新兴的学科分支[1]。在该艺术学科领域内,借助扫描探针显技术、电子显微镜技术、电子/离子/光子束、化学气相催化技术、自组装技术、计算机分子建模与模拟技术等,微纳米工作者家们在短短的几年内已经取得了丰硕的纳米艺术成果[2,3]。一批批优秀的所谓纳米绘画、纳米雕塑、纳米声乐、乃至纳米视频作品频繁的在各种科学艺术大赛中脱颖而出,并吸引了越来越多科学家和艺术家的眼球[4-8]。 
 或者是为了给人们展示微观世界中的美,或者是为了展现某种新的纳米技术,人物、山水、物品,花草、甚至头发丝、灰尘等[5],都成了当今微纳米科技工作者家创作的对象或原材料。在纳米工作者的显微镜下,纳米鸭子、纳米碳管的兔子、微米量级中国龙、微观的公牛….等一批栩栩如生的动物形象已经诞生,在展现新兴纳米技术的同时,也为纳米艺术平添了一缕神奇的色彩。 
  
 
2. 微纳米动物艺术作品的分类 
 
 在笔者的《纳米艺术概论》一书中,纳米艺术被定义为“使用纳米技术手段、方法创作的、纳米尺度或反映纳米题材的艺术”[3]。在微纳米艺术作品中,纳米画与纳米浮雕的区分已经很模糊了,对于由若干个分子或者是原子在基体材料表面拼成的图形,实际上我们已经很难说它是浮雕或者是纳米画。尽管如此,根据立体程度,我们仍然可以将微纳米动物艺术作品分为平面的微纳米动物绘画、浮雕和雕塑。如图1所示,这是科学家采用原子力显微镜探针,拨动DNA分子链在材料基体表面上拼绘的“DNA鸭子”,是一张扫描探针显微镜(SPM)的照片;DNA鸭子的轮廓线宽度为10余纳米,鸭子身高几百纳米,立体度很小,故可以归结为纳米画范畴。图2为美国犹他大学机械工程系学生Ecsedy与该校“艺术技术交叉研究中心”合作的纳米浮雕作品,作品中的“纳米猛兽”,采用聚焦的电子束在材料表面“雕刻”而成,电子显微镜成像;整个动物的身高为几百微米,立体度为百十微米,猛兽的体态、鬃毛栩栩如生,惟妙惟肖[9]。图3显示的是某纳米科学网站上的 “纳米中国龙”,这是一张电子显微镜照片,照片上的龙头、龙爪、龙身清晰可见,龙的身长为数百微米。事实上,该中国龙仅为某半导体材料上的一个污渍而已[10]。 
 
  

从制作工艺来看,微纳动物艺术作品可以分为基于传统手工艺的作品和基于微纳加工技术的作品。基于传统手工艺的代表作如图4所示,是当代英国微雕大师Willard Wigan创作的—“针眼里的车马”[11]。整个马车的长度约一毫米,马的腿、尾巴、耳朵等细节的尺寸仅为百微米。该微雕作品的创作过程实际上和宏观的雕刻作品相似,只不过创作或欣赏过程中均需要高倍的显微镜,同时,它的创作对雕刻的工具也有很高的要求。基于微纳加工技术的作品如图1、2所示,还有图5所示的纳米公牛[12]。图5的纳米公牛是日本科学家的作品,为了创作纳米牛,创作者采用了一种被称作“双光束聚合”的技术。纳米公牛的大小为几十微米,同人的红细胞大小相当。这些基于微纳加工技术的作品创作时通常需要扫描探针显微镜,或能够产生聚焦的离子/电子束设备,同时,还对实验条件有苛刻要求的。 

 从作品的尺度来讲,微纳动物艺术作品可以分为百微米量级的以及微纳米量级的两大类。一般来说,基于传统手工艺的作品大都属于百微米量级的,如图4“针眼里的车马”等。这些作品的整体尺寸近乎毫米量级,但局部细节属于百微米量级。基于微纳加工技术的作品则大多属于微纳米量级,如图1、图2、图5的作品,这些作品的整体尺寸可能为微米量级,但局部细节尺寸达到了纳米量级。百微米量级的作品通常在高倍的光学显微镜下就能看得清楚,而要欣赏微纳米量级的作品,则通常需要分辨率更高的电子显微镜,甚至扫描探针显微镜。 
 现在,不管是光学显微镜,电子显微镜,还是扫描探针显微镜,其成像、图象处理都要借助计算机。尽管如此,从计算机虚拟与现实的角度来看,我们仍然可以微纳动物艺术作品可以分实际的纳米动物作品和计算机虚拟设计的作品。由于本文中绝大多数范例属于实际的纳米动物作品,故这里仅举一例计算机虚拟的纳米动物作品。如图6所示,该作品是科学家Cheng 等建立“分子骏马”的计算机模型[13]。“分子骏马”是Cheng 等人近年来发现的一种新型分子。这种分子具有四个羰基氧基团,在外部激励下四个羰基氧基团会运动,就像骏马的四条腿,这使得该分子可以在铜晶体表面上行进。由于该四个羰基氧的运动与骏马奔跑时的运动形式极为相似,因此,该分子被媒体誉为“分子骏马”。 Cheng建立的“分子骏马”模型的目的就是希望展示分子马的运动机理。 
 
   

 从作品的创作机理来看,微纳动物艺术作品可分为基于物理方法和化学方法的作品。一般来说,传统手工创作的作品大多属于物理方法,如图4所示的“针眼里的车马”。 另外,依靠扫描探针显微镜的探针,拨动纳米颗粒、分子,或者在材料基体表面刻画出动物的形象等,也属于物理方法,如图1 的DNA鸭子。而如图5所示的纳米公牛则属于化学方法的作品,因为“双光束聚合”技术中涉及有机物的光化学固化反应。 

另外,从作品创作的必然性和偶然性来看,又可分为有意识的,以及偶然间得到的作品。事实上,在一些化学或者微观科学试验研究中,偶然间在显微镜下发现酷似动物形象的机会也不少,如图3所示的“中国龙”,再如图7所示的“纳米象”[14]。 
 
  
 
3. 纳米动物艺术创作技术 
 
1)传统的微雕技术 
 Willard Wigan是当代微雕艺术的杰出代表。他的微雕艺术作品通常都是在高倍的光学显微镜下完成的。以图4“针眼里的车马”为例。为了制作针眼中的车马,Willard Wigan使用极其微小的刻刀对金颗粒、砂糖或者沙粒进行微雕;雕刻这些作品时,注意力要高度集中,呼吸均匀,并利用两次心跳的间隔来工作;微雕完成后,再移植到针孔中去。整个创作过程中,任何细微的失误都会导致整个创作的失败。 
 2)离子/电子束刻蚀技术 
 离子/电子束刻蚀技术采用电磁场加速和聚焦带电的离子或电子,进而可对材料的表面进行刻蚀,离子/电子束刻蚀原理与目前市场上流行的光刻技术相似,但由于离子和电子的德布罗意(物质波)波长很短,因而刻蚀精度更高。离子/电子束光刻主要包括聚焦离子/电子束刻蚀和离子/电子投影刻蚀等。其中,聚焦离子/电子束刻蚀发展得较早,也较为完备。遗憾的是,离子/电子束刻蚀技术效率低下,很难在实际生产中得到应用,但这并不妨碍科学艺术家用它开展纳米雕刻艺术创作。图2的纳米猛兽采用的就是聚焦电子束刻蚀技术。为了在半导体材料表面上刻出猛兽,Ecsedy首先在材料基体表面上镀一层纳米薄膜,然后利用电子显微镜聚焦的电子束,在薄膜上雕刻;由于雕刻的同时电子显微镜能够成像,因此,Ecsedy可以边雕刻边对猛兽雕像进行修改。 
3)双光束聚合技术 
近年来,一种被称作“双光束聚合”的技术已经被发展到三维纳米构型的加工,并被用于材料表面微观塑像的构建。这里,最为典型的当数日本科学家的雕刻作品—纳米公牛,见图5。该纳米牛的高度与红血球直径相当,高约数十微米。在纳米公牛像的制造过程中,科学家使用两股激光射线照射浸在合成树脂溶液中的材料表面,溶液中只有被两股激光射线交叉照射到的那部分树脂才凝固起来,形成雕塑件的“部件”,这样的部件的精度为120纳米。 
4)扫描探针显微镜技术 
上世纪八十年代,扫描探针显微镜(SPM)的发明使人们对物质世界的认识与改造深入到了原子和分子层次。由于SPM探针针尖的曲率半径很小,通常为几百纳米,且与样品之间的距离很近,在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的力、电、磁、光等场。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生微缺陷、相变(如蒸发、熔化等)、化学反应、表面粒子移位等干扰,这正是利用SPM进行纳米加工的客观依据。 
现在,SPM已经发展为一大类型的显微技术,具体包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、扫描力显微镜(SFM)、近场光学显微镜(SNOM)、弹道电子发射显微镜、热扫描显微镜(TSM)、静电力显微镜等,它们统称为SPM。SPM不仅可以对材料表面进行微观成像,还能对材料表面进行为微加工,因此被科学家誉为纳米世界的“眼”和“手”。 
图1所示的DNA鸭子就是科学家采用原子力显微镜探针,拨动DNA分子链在材料基体表面上拼绘而成的。事实上,利用SPM针尖与样品表面之间的局域场,科学家们已经可以自如地在材料表面加工出各种各样的纳米图形来[5]。 
5)化学催化气相沉积技术 
最近,美国伦斯勒工业大学约翰·哈特教授使用大约1.5亿根纳米碳管制作了一组花花公子的兔子画像[15],如图8所示。这是一幅在电子显微镜下才看到了纳米碳管兔子画像。每个微型兔子头像包含上亿个纳米碳管,这些纳米碳管像丛林中的树木一样垂直地排列着,每个纳米碳管都是中空圆柱体结构,其直径仅为人体头发的五万分之一。 
为了创建纳米碳管兔子画像,哈特先是将宏观的兔子图像进行缩小,并将缩小的头像打印在一个玻璃板上。然后,照射紫外线穿过这个玻璃板板,将图像投影在一张硅片上。接着,他巧妙地在硅片表面有头像的地方“撒”上催化剂,并使用高温化学气相沉积(CVD)方法在有催化剂的地方生长纳米碳管。最后,研究人员使用电子显微镜对硅片进行了拍照,得到了尺寸仅有几百微米大小的小兔子。

 

 6)计算机纳米工程建模技术 
 计算机辅助纳米工程设计软件是近几年才出现的新生事物。目前的计算机辅助纳米工程设计软件主要有NanoXplorer和NanoEngineer-1[16]。NanoXplorer是美国NanoTITAN公司于2003年9月发布的,而NanoEngineer-1是美国Nanorex公司2006年发布的。它们都属于纳米器件仿真设计软件,专门用于设计各种分子器件、纳米器件和纳米机器。NanoXplorer和NanoEngineer-1是依据生命科学、物理化学、分子物理力学等工程原理来构建纳米器件的综合设计工作平台,软件充分体现了纳米器件“从上到下”及“从下到上”的设计思想。尽管如此,这些软件也为创作包括纳米动物形象在内的纳米艺术作品提供了平台。目前,许多纳米艺术家利用这些软件,开展了纳米艺术创作的尝试。 
7)其他技术 
除了上述的各种技术以外,现在,科学家们还用聚焦离子束-气相沉积法制造了微纳米级的体育馆[5];用纳米压印与纳米打印技术绘制了各种纳米级的图案。事实上,这些技术同样也可以用于微纳米动物形象的创作。 
 
4. 结 束 语 
 
纳米动物艺术作品的创作是一个多学科交叉的过程,涉及到化学、物理、材料、微加工、计算机技术、微电子等知识和学科,而其成像却又要依赖高倍的光学显微镜、电子显微镜,乃至扫描探针显微镜。随着科学家和艺术家的不断接入,以及一些纳米技术的不断成熟,纳米动物艺术作品创作中人的主观能动性日益增大。值得一提的是,最近,美国宾夕法尼亚州的鉴定专家和艺术家J.Sha受人委托制作了几件纳米作品,如图9所示,用于商品防伪[3]。这些作品包括纳米鱼、纳米恐龙等动物形象,尺寸均在50微米左右,特征尺寸为250nm。由于这些微型的防伪商标尺寸小,制作和鉴定需要高科技纳米技术或高倍显微镜系统,因此,这些纳米动物图案可望成为安全性级别最高的防伪商标。 
参 考 文 献 
[1] 沈海军. 纳米艺术简史. 中国科技奖励.2009(2):78 
[2] 沈海军  纳米艺术的发展现状. 艺术科技 .2010(4):36-39 
[3] 沈海军. 时东陆. 纳米艺术概论,清华大学出版社,2010 
[4] 沈海军. 纳米艺术:与高科技完美结合的艺术. 艺术科技2009(3):39-42 
[5] 沈海军. 发丝表面艺术及其创作. 美与时代.2011(7):42-45 
[6] 沈海军. 纳米声乐与纳米声乐技术. 艺术科技2010(6):38-40 
[7] 沈海军. DNA中的纳米艺术. 百科知识.2009(8):18 
[8] 沈海军. 微纳米雕塑艺术与微纳米雕刻技术. 艺术科技2009(12):38-41 
[9] Dynamic Micro-Art That Can Only Be Created and viewed Through A Microscope.  January 8, 2010. http://www.mech.utah.edu/news/stories/0004.html 
[10] http://images.vliz.be/resized/10289_fritillaria-scanning-electron-microscopy.jpg 
[11] http://www.willard-wigan.com/ 
[12] 日本造出“纳米牛”.  http://www.ntem.com.cn/ 
[13] Zhihai Cheng, Eric S. Chu, Tunability in Polyatomic Molecule Diffusion through Tunneling versus Pacing. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (39) :13578–13581 
[14] simplyscience.ch/desktopdefault.aspx/tabid-348/admin-1/ 
[15] http://www.nanobliss.com/departments/impressions/impressions.htm 
[16] 沈海军,史友进. NanoXplorer器件及其分子枪的设计.纳米科技 2004(5): 23-26 
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