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方兴未艾的微纳米艺术(科普原创)

沈海军 文 

经过二十余年的发展,纳米科技已在诸多领域里取得了令人瞩目的成就。从平头百姓到巨商政客,从小学生到科学家,从书本到网络,从洗衣机到电冰箱,从袜子到眼镜,从军用设备到民用产品,从社会科学到自然科学……现在,纳米科技似乎已经无处不在、无人不晓,并保持着惊人的速度向各个领域无声地延伸和渗透。
在纳米科技的发展研究中,纳米科技已逐步形成了以纳米材料、纳米化学、纳米物理、纳米机械、纳米计量学、纳米生物医学、纳米力学等为代表的几大主流学科分支。与此同时,纳米伦理学,纳米经济学等非主流学科分支也相继出现。值得一提的是,近几年,纳米科技领域中的一支非主流分支也异军突起,正成为该领域中的一支奇葩,它就是微纳米艺术[1-4]
现在,国内外每年都有单位或个人组织微纳米艺术大赛或举办纳米艺术展[5,6],反映微纳米艺术的相关文章不断在媒体上发表,网上充斥着大量精美的微纳米艺术画、微纳米塑像显微镜照片和作品。显微镜下,腰围几微米的维纳斯像,米粒大小芯片上的圣经,硅片上的微纳米唐诗,单个分子构成的分子车,头发丝上的建筑物,纳米级琴弦的吉它,孔洞仅为数纳米的竖笛……一件件微观世界的艺术珍品纷纷面世,令人瞠目结舌,耳目一新,正吸引着众多科学家、艺术家以及民众的眼球[8,9]
 
一、什么是微纳米艺术
微纳米艺术是这几年才新兴的非主流纳米学科分支。关于微纳米艺术,目前尚未有公认的定义。在笔者的《纳米艺术概论》一书中,微纳米艺术被定义为“使用微纳米科技手段、方法创作的微纳米尺度的或微纳米题材的艺术”[1];该书认为,作为一件微纳米艺术作品,它应具备以下几个特征:
第一、微纳米艺术作品所反映的事物尺度很小,为微纳米量级。
第二、微纳米艺术作品的制作或表象过程中真正涉及到了微纳米技术。譬如,分子/原子自组装技术、化学/物理气相沉积法、激光束/离子束/电子束加工技术、扫描探针显微镜技术、电子显微镜、计算机辅助分子模拟技术等。
第三、微纳米艺术作品要“美”。即纳米作品要符合传统艺术品“美”的评判标准,给人以美的感受。
为了探讨微纳米艺术的内涵,笔者创办的纳米艺术网上曾讨论过“四个花瓶,哪个属于微纳米艺术品”的命题[7]。即“下面四个‘纳米花瓶',请问哪个属于微纳米艺术作品?”1)一个普通的花瓶,上面用添加了纳米颗粒的所谓“纳米颜料”作画,画面精美。 2)一个用纳米材料做的花瓶,做工精量。3)一个普通花瓶,上面印制了“纳米花”等的精美的纳米结构电镜照片。4)一个用光刻技术雕刻的纳米尺寸的花瓶,精巧度一般。
关于该命题,笔者的观点如下:第一种不属于微纳米艺术,因为普通的墨水中也存在天然的纳米颗粒,再说水分子本身就是纳米尺度的;另外,该花瓶表面绘画的过程和普通绘画的过程无异。第二种也不应属于微纳米艺术,因为该花瓶的制作和普通花瓶的制作过程几乎没有多大差别,艺术作品本身不能反映微纳米尺度的概念。第三个,可勉强纳入微纳米艺术范畴,因为“纳米花”属于公认的纳米艺术品;第四个,应属于微纳米艺术品, 微纳米艺术是个新生事物,不能要求过高。
对于上述命题,不同的人可能会持不同的观点,当属仁者见仁,智者见智。在《纳米艺术概论》一书中,微纳米艺术曾被定义为“使用微纳米科技手段、方法创作的微纳米尺度的或微纳米题材的艺术”[1],该定义是否会得到公认,应当说,仍有待时间的检验。
 
二、微纳米艺术作品的分类
在笔者的纳米艺术网上,《纳米艺术作品》栏目被分为“纳米画”、“纳米雕塑”和“其他纳米作品”等三个子栏目[7]。事实上,这也是作者从表现形式上对微纳米艺术品的进行的一个大致分类。这里,所谓的“其他纳米作品”主要包括纳米视频艺术作品。也就是说,从表现形式来分,微纳米艺术品可分为微纳米画、微纳米雕塑和微纳米视频作品。
在宏观世界,画和雕塑是一目了然的,一个是平面作品,一个是三维的。但到了微纳米世界,严格意义上的二维物体实际上已经不存在了。对于立体程度较高的纳米作品来说,我们可以直接将其归类为微纳米雕塑,但对于立体程度较小的作品来说,就很难将其划分为“微纳米画”还是“微纳米浮雕” [10]。比如说,我们使用原子力显微镜移动若干个原子团/或分子在材料基体表面拼成一个纳米人,这样的作品到底属于“微纳米浮雕”呢?还是“微纳米画”?这可能就要取决于个人的判断了。关于微纳米视频艺术作品,主要指反映微纳米世界的视频短片。这些短片有的是纳米生物/医学方面的科幻片、宣传片,甚至电影;有的是科学模拟(如分子、量子化学模拟)过程中产生的动画;也有电子显微镜下采集的一些视频短片 [11]。在现在显微镜技术与计算机技术如此发展的时代,上述许多视频已经被做得惟妙惟肖,具有极佳的视觉效果。当然,也并不是所有的微纳观视频都具有艺术欣赏性,都属于纳米视频艺术。譬如,分子动力学模拟的纳米管力学失效过程,往往枯燥而乏味。
从尺度上来讲,微纳米艺术作品又可以分为微纳米尺寸量级的作品,以及纳米 /分子尺寸量级的作品。在文献[12]中,笔者列举了一群身高2微米的做瑜伽的纳米小人。小人的胳膊、腿的粗细为数百个纳米,这属于典型的微纳米尺寸量级作品。值得一提的是,近年来,有机化学中,人形分子的发现将人物艺术引入了微纳米/分子尺度。现在科学家们已经发现了一类名为“莆田”有机分子,这些“莆田”分子的化学式个个酷似人形,十分有趣[13]。这些分子的尺寸通常为几十纳米,一个“莆田”分子往往就是一个人物形象,或似神父、或似厨师、或似小孩,还真是神奇。事实上,纳米/分子尺寸量级的艺术作品并不仅限于人形分子,譬如,科学家们已经用原子力显微镜搬动氙原子在材料表面拼写了“IBM”等文字,此类作品也应属于纳米/分子尺寸量级的作品。
从成像与获取方式来讲,微纳米艺术作品又可分为光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜成像以及计算机产生的作品。由于微纳米艺术作品所反映的事物尺度很小,为微纳米量级 , 因此对于如此微小的作品,要对其进行成像,就必须借助高分辨率的光学显微镜、电子显微镜或扫描探针显微镜。三种显微镜中,扫描探针显微镜的分辨率最高,其分辨率可达到分子甚至原子尺度;高分辨率的光学显微镜通常可对微米级的物体进行成像;电子显微镜的分辨率则介于以上两种显微镜之间。此外,计算机的使用在微纳米视频作品创作中发挥了巨大作用。目前,一些纳米科普网站中相关的微纳米机器人短片层出不穷,而职业化学家、材料学家微纳观模拟中产生的某些视频短片有时也成会为微纳米视频艺术的一种补充[1]
    从偶然性与必然性上来讲,微纳米艺术作品中有很大一部分应当属于科学实验中偶然发现的。最典型的一种情况就是:电子显微镜下某溶液残留微观成像后貌似一条龙或一只狗 [16];或者是自组装结构显微成像后呈现出某种绚丽的景象等等。事实上,由于微观世界和宏观世界的形态大不相同,因此,一些微结构被无意间放大后往往会给人们带来奇特的视觉感受。当然,随着微加工技术的不断发展,一些有“艺术细胞”的纳米科学家为了更好地艺术地展示自己的科研工作,也开始人为地创作出一些微纳米艺术作品。譬如,他们用一种所谓的“双光束聚合技术”在头发丝上上建造一座体育馆 [15],雕刻一个细胞大小的纳米牛 [16],用光刻技术制作一个琴弦只有数纳米的竖琴 [17]…等等。
从制作方法上来讲,微纳米艺术作品的创作又可以分为物理方法、化学方法与计算机辅助设计等 [1]。能形成微观美感的纳米艺术图案的物理方法主要包括物理气象沉积法、原子力显微镜刻划 [18]、激光束/电子束/离子束轰击与热蒸发法等。物理气象沉积法主要是通过蒸发气体在机体表面的沉积,气体分子与表面原子之间的相互作用,最终在基体表面沉积出某种规则的组织或图案 [2]。原子力显微镜刻划以及激光束/电子束/离子束轰击与热蒸发法则主要是通过人为的方式(譬如计算机)控制原子力显微镜探针或者激光束/电子束/离子束在材质表面刻划形成特定沟槽和图案。
从作品所反映的内容来看,微纳米艺术品可分为反映微纳米人物、微纳米动物、微纳米建筑、微纳米文字,微纳米花草山水的作品。近来,笔者相继为《艺术科技》、《美与时代》、《百科知识等》撰文,分别论述了微纳米人物 [12]、纳米动物 [16]、纳米建筑 [19]、纳米书法作品的创作和分类,这些作品包括纳米奥巴马 [20]、纳米维纳斯 [15]、纳米笑脸 [21]、纳米象 [7]、DNA鸭子 [21]、纳米狮子、纳米十二属相 [22]、发丝上的体育馆 [19]、纳米悉尼歌剧院、纳米唐诗、原子级英文字母 [2]…等百余件。微纳米花草山水方面,纳米花草现在已经独树一帜,成为该领域中一道独特的风景线 [23]。在最近笔者撰写的《千姿百态的纳米花》专著中,共收集了近几年来网络、期刊上报道的纳米尺度的花(花状的纳米颗粒)250余种 [23],它们包含有氧化锌纳米花、氧化锡纳米花、有机物纳米花、碳材料纳米花等,有的似玫瑰,有的似康乃馨、有的似菊花… 显微镜下的这些花朵千姿百态,争相斗艳。纳米山水画则更多地是在化学实验中,电镜下偶然间发现的。经过对某些特定试验产物微观照片进行电脑后处理后,它们有的貌似大峡谷,有的貌似荷塘……真可谓微境美景 [8]
从材质上来讲,微纳米艺术品又可分为氧化物、半导体材料、生物有机材料、金属、碳材料与无机盐等材质的作品。仅以纳米花为例,笔者对近五年来国内外发表的纳米花成果曾做了一项调研 [23],结果发现,业已报道的花状纳米颗粒之中,氧化物纳米花(包括氧化锌纳米花、氧化钛纳米花、氧化硅纳米花、氧化铁纳米花、氧化铜纳米花和氧化锡纳米花等)数量在纳米花总数中占据50%以上;硫化物纳米花的比例为13% 左右;碳材料纳米花主要包括纳米碳管纳米花、碳富勒烯纳米花和碳纤维纳米花。它和半导体材料、生物有机材料、金属与无机盐等纳米花分别占2%-7%不等的比例。
 
三、微纳米艺术的创作技术与方法
微纳米画、微纳米雕塑等作品的成像通常要借助高分辨率的光学显微镜、电子显微镜或扫描探针显微镜;而其创作则需要借助高科技的微纳米设备、方法或者专门的计算机软件,且创作者需要掌握一定的微纳米方面的知识,或作者本身就是微纳米界的专家。创作微纳米艺术作品的技术途径主要包括扫描探针显微镜技术、三束光刻技术、化学 /物理气相沉积技术、双光束聚合技术、化学自组装、计算机合成方法等等。
1 )扫描探针显微镜技术
扫描探针显微镜是利用显微镜探针与物体表面之间的相互作用而对物体表面进行成像或微结构加工 /操纵的一类技术。利用扫描探针显微镜,现在人们不仅可以观察到物体表面的原子、分子,而且可以搬动一个个原子、分子、原子团,并拼成各种各样的图形,如IBM公司的Eigler博士用扫描探针显微镜搬动35个氙原子绘制的“IBM”字样[18]。如果这种原子搬动技术被巧妙使用的话,完全可以绘制成美妙的原子艺术画。
2 )三束光刻技术
三束光刻技术是激光束 /离子束/电子束加工技术的简称[2]。所谓的三束光刻技术是指利用高能激光束、离子束或电子束加工出特定纳米结构的一种技术,这种技术可用来制作微纳米图案,甚至雕塑。最近,比较流行的事情是利用三束光刻技术在头发丝上来“玩纳米艺术”:刻字或者刻制图案[15]。譬如,美国麦克马斯特大学的Ray LaPierre教授近来采用“镓离子束聚焦”刻蚀工艺,在自己的头发丝表面“雕刻”了母校麦克马斯特大学的校徽等[5]
3 )化学/物理气相沉积技术
化学 /物理气相沉积技术是指将一种或几种气态原材料导入到一个密闭室内,然后让它们之间发生化学反应后,或不反应,而直接冷却沉积到基体表面上,最终形成一种新纳米材料/纳米结构的方法。由于沉积过程中,气态分子和基体不同分子之间的相互作用各异,具有一定的选择性,因此,往往可以形成一些有规则的微观图案或图形。这些图案在显微镜下,有的抽象、有的分形、有的似山水画,有的似霓虹灯…美轮美奂,美不胜收[1]。当然,大部分的微纳米图像只具有承载科研成果信息的作用,并不漂亮,不属于微纳米艺术范畴。
4 )双光束聚合技术
近年来,一种被称作“双光束聚合”的技术已被发展到三维微纳米构型的加工 [10],并被用于三维微纳米塑像的构建。这里,最为典型的当数韩国研究人员Ovsianikov的雕刻作品--“思想者” [2]。该塑像高度仅为四个红血球大小,高只有五万分之一米。然而,这个即便只能用显微镜才能看清楚的思想者,其肌肉、甚至脚趾仍清晰可见。在纳米思想者的制造过程中,作者Ovsianikov使用两股激光射线照射浸在合成树脂溶液中材料的表面,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 [10]
事实上,利用该技术,德国、日本等国家的科学家们已经雕塑出了大量的微米量级雕塑作品,如纳米兔子、纳米风车、纳米堡垒、纳米牛、纳米维纳斯像、纳米索桥、纳米镂空的双扣环等等 [10,12,19]
5 )化学自组装
自组装是化学中的一个专业术语。所谓自组装,是指分子、原子等基本结构单元在非共价键的相互作用下自发形成有序结构的一种技术 [2]。以DNA自组装为例,现在科学家用已经可以自如操控DNA自组装形成六面体“魔方”、美洲地图、纳米笑脸、中国地图、五角星等 [21]。分子/原子自组装技术是制备特定功能纳米结构的一种重要手段,同时也为形成具有艺术欣赏价值的图案或图形提供了可能。
6 )计算机合成方法
现在,网上以视频形式呈现的微纳米医用机器人、 ATP马达工作原理、灰色物质电子游戏、纳米科普短片等很多都是借助计算机手段合成的[11]。这些短片不管是为了展示某种原理,或科普知识,或仅是为了娱乐,但都会给一般人带来一定的视觉冲击。
此外,现在已经出现了一些专门为科技论文配图的公司,这些公司通常拥有高素质的工作人员,包括化学、材料、纳米科技、美工等领域的员工。以北京静远嘲风动漫传媒科技中心为例,他们的对外业务就是面向科研的设计服务 [25],具体包括:制作论文封面图、论文配图、专著配图、学术动画、医疗动画、工程动画、会展动画等。目前,他们已经为许多纳米科技的相关成果配图,使得这些严肃的科研成果充满艺术气息,成功地在《Advanced Functional Materials》等知名学术期刊上发表。
7 )其他方法
除了上述方法外,还有一些方法可用于创作唯美的纳米结构或视频短片,如液相化学生成方法、计算机纳米辅助工程技术等等。近来,笔者撰写了一本《千姿百态的纳米花》的著作 [26]。值得注意的是,书中的270朵纳米花中,大约有四分之一的微纳米花都是通过液相化学生成的。计算机纳米辅助工程技术面,现在出现了一些诸如Nanoengineering、Nanoexploer的计算机纳米辅助工程软件 [14]。借助这些软件,科学家们已经可以设计各种具有动画效果的精美的分子机器。美丽的纳米花、精美的分子机器,我们都可以将其归纳为微纳米艺术的范畴。
 
四、微纳米艺术发展的新动态
1 )微 纳米艺术的相关活动越来越多
现在,微纳米艺术的相关活动越来越多,不断地有各种国际国内的纳米艺术大赛、纳米艺术展或微观影像大赛举行。这种大赛的举办方有知名显微镜跨国公司、研究机构、大学及相关学术组织,大赛中优秀的微纳米艺术作品层出不穷。值得一提的是,这些大赛中,有的已经常态化,一年一届,甚至一年举办两届。国外比较有名的微纳米艺术大赛(微观影像大赛)有: Zyvex主办的EIPBN微观图片大赛、纳米联盟网站的微纳米大赛、美国展望研究所网站上的微纳米大赛、美国材料研究学会的“科学就是艺术”大赛等。国内举办过的纳米艺术大赛(微观影像大赛)的单位有同济大学、浙江大学、中科院化学所等。
此外,通过网络,一些纳米艺术的爱好者在普及纳米艺术的过程中也发挥了积极的作用 [27,28]。这些微纳米艺术爱好者通常是从事材料学、化学、物理等与纳米相关的科技工作者,他们中有许多人会将自己珍藏的具有欣赏价值的电子显微镜片上传至网上或者个人博客,并注上说明文字。譬如,科学网博客中的年轻学者东北农业大学的孙庆丰、卢芸,苏州纳米所的王学文等。
2 )人员参与度越来越广,影响力越来越大
尽管只有短短几年的发展历史,但微纳米艺术的参与人员已越来越广,影响力也越来越大。仅以 2010年11月在苏州举办的纳米艺术展为例 , 该展览得到了纳米科学家、艺术家、地方政府机关、广大媒体以及大众的广泛关注[5]。从参展作品来看,微纳米艺术品中,有2/3的来自微纳米科技第一线上的科学家,而1/3出自专业的艺术家之手;参加本次纳米展或开幕式的国内外顶尖纳米科技工作者包括科学院院士裴钢、王忠林院士、程国胜、沈国震、麦立强…等;知名艺术家王小慧、平杰、David Wang、郭海平、林文杰、胡介鸣、江家胜、蒋正根、冉沛灵、申凡、三水、郑连杰…等;艺术新秀徐群、李义恒、郭燕、伊树…等;苏州工业园科技局局长张东驰、主任苏波,清华大学出版社主任宋成斌…等。主办、协办、承办的单位包括同济大学、苏州工业园、国家纳米艺术创新园、苏州科技文化中心、科学松鼠会、清华大学出版社、上海超纳新材料科技公司等。对本次微纳米艺术展进行采访报道的媒体有科技日报、新浪网、中新网、新疆日报、苏州日报、凤凰网、网易等九十多家。开幕式当天,闻讯赶来看展的苏州市民人头攒动,无不对眼前奇妙的微纳米艺术世界赞叹不已。该会展开展的次日, 笔者在Google引擎上以“首届国际纳米艺术展”为关键词进行搜索,竟得到了一万八千条信息量。可见,微纳米艺术已得到社会的广泛关注。
  另外,在传播微微纳米艺术方面,微纳米艺术网站功不可没。在最近笔者出版的《纳米艺术概论》一书中,第六章中专门罗列并介绍了目前比较活跃的,涉及微纳米艺术的各个网站 [1]。这些网站包括:微纳米艺术个人网页、微纳米科技网站上的微纳米艺术资源、专门的微纳米艺术网站以及其他微纳米艺术相关网页等。
3 )理论体系已经初步形成,但仍难以成为一个独立的学科
    如果回到 2005年,当你在google上输入nanoart或纳米艺术作为关键词进行搜索,会发现只有寥寥无几的信息。即便是今天,在中文期刊网上进行搜索时,除了笔者的几篇文章外,其他作者的文章也是屈指可数。事实上,严格的讲,纳米艺术的发展历史不超过十年。自从2006年笔者开办了全国第一个纳米艺术网站后[7],又于2010年在我国苏州组织举办了迄今为止国内外规模最大的首届国际纳米艺术展;经过多年对纳米艺术的跟踪和不断专研,先后发表了30余篇纳米艺术方面的文章[2-5,9-24],出版了国内外第一部专门纳米艺术理论方面的专著--《纳米艺术概论》[1],并在同济大学开始了全国第一门《纳米艺术》课程。至此,纳米艺术的理论体系已经初步形成。尽管如此,应该讲,纳米艺术目前仍难以成为一个独立的学科,主要有以下原因: 首先,微纳米艺术是微纳米科技与艺术的结合,但深奥的纳米技术足以使广大的艺术家望而却步;第二,纳米科技工作者掌握着纳米技术、设备和方法,但隔行如隔山,往往很难谈得上什么艺术造诣。即便是作者这样持久跟踪纳米艺术的科技工作者,恐怕也只能称得上是一名纳米艺术的爱好者;第三,微纳米艺术仍未广泛普及,并未有受到艺术界和纳米界的足够重视。
4 )微纳米艺术形式的多样化
从本文微纳米艺术作品的分类来看,微纳米艺术已呈现了百花齐放的势态。尽管如此,一些其他传统的媒体 /载体中也开始渗透纳米艺术的元素,比如一些围绕纳米科技研发的电子游戏。最近,笔者曾玩过名为“Nanocar”一款的纳米游戏[29]。游戏中,主角开着一辆富勒烯分子的纳米车进行闯关,不断认识各种纳米器件和纳米知识,游戏画面精美,学知识,玩游戏,还给人以美的享受。再如电影,事实上早在若干年前就有多部反映微观世界的科幻片,如《Fantastic Vojage》[3]。我们很难说,“这些东西就不属于微纳米艺术”。
从表现形式来看,微纳米艺术品包括微纳米画、微纳米雕塑和微纳米视频。但是,微纳米声乐也有望成为一种新的纳米艺术形式。现在,该种形式作品的数量远少于微纳米画、微纳米雕塑和微纳米视频 [17,30]。尽管如此,在笔者的一项科普文章中,仍列举了若干纳米声乐的最新成果:纳米吉他、纳米竖笛、纳米敲、原子弹奏、NMR奏乐、DNA音乐…等等 [17,30]
纳米科技的振兴造就了一批所谓的明星分子: DNA、纳米碳管、富勒烯、石墨烯等。这些明星分子,在各种纳米科技宣传画、纳米网站logo、选择性化学沉积生长绘制微观图案、构建具有美感的分子器件等方面已经被应用的淋漓尽致,也在微纳米艺术领域中独领风骚[20,21,31]
 
五、结束语
    随着微纳米技术的飞速发展,微纳米艺术也取得了长足的进展,并吸引了诸多科学家、艺术家乃至大众们得注意力。随着时间的推移,微纳米艺术不断推旧出新,必将被人们所接受,并在普及纳米科技知识方面发挥重大的作用。相信在科学家、艺术家以及人们的共同努力下,微纳米艺术必将发展成为一种科学艺术的新流派,真正成为艺术界和纳米科技界交叉地带的一株奇葩。
 
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