微納米建築知多少？（配圖，原創，科普）
1. 引言
對於一般人來講，建築是指人們用石材，木材等建築材料搭建的一種供人居住和使用的物體，如住宅，橋樑，體育館等。而在藝術家的眼裏，建築則是一種綜合性實 用造型藝術作品，它通過建築群體的形體、平面佈置、立體形式、結構造型、內外空間組合、色彩、質感等體現了人們對物質文化的需求和審美觀點。然而，這裏我 們要討論的是微納米建築，即肉眼無法分辨，而必須借助光學顯微鏡，乃至高解析度的電子顯微鏡或者原子力顯微鏡才能看到微觀建築。
微納米藝術是近幾年隨著微納米技術的發展而而崛起的新興事物，其主要形式包括微納米畫、微納米雕塑、微納米聲頻和納米視頻等[1]。 作為微納米藝術的重要組成部分，微納米建築藝術這些年來已經發展得如火如荼。經過科學家以及藝術家的共同努力，目前，人們已經探索出了包括微雕技術、等離 子體腐蝕、雙光束聚合、鐳射直寫、離子束/電子束刻蝕、聚焦離子束－化學氣相沉積、電腦納米輔助設計等在內的多種傳統創作方法和微納米加工技術。利用這 些方法和技術，一棟棟“納米高樓”、“ 納米鐵塔”、“ 納米房屋”、“ 納米劇院”、“納米院落”…在微觀世界中平地而起。面對這些微納米建築，人們在驚歎納米科技飛速發展之餘，恐怕更為折服的是微納米建築的藝術魅力。
2. 微納米建築作品的分類
基於不同的角度，微納米建築作品有不同的分類。根據立體度，我們可以將微納米建築藝術作品分為平面的微納米建築圖案和三維的微納米建築兩大類。如圖1所示，這是以色列科學院科學家Diana Mahalu博士的平面作品—“金色的耶路撒冷”[2]。為了創作該作品，Diana Mahalu採用了一種被稱作“電子束平面印刷”的技術，在砷化鎵材料表面雕刻出了鈀金材質的耶路撒冷標誌性建築－－哭牆的圖案。這是一張原子力顯微鏡的照片；哭牆圖案的輪廓線寬度為數十納米，牆高約2微米，寬2.5微米。圖2為日本兵庫縣立大學Reo Kometani等人的三維雕塑作品──“納米比薩斜塔”。該作品中的比薩斜塔，採用聚焦離子束－化學沉積（FIB-CVD）技術製作而成，電子顯微鏡成像；塔的身高為幾微米，微微傾斜、栩栩如生[3]。
從製作工藝來看，微納建築藝術作品可以分為基於傳統手工藝的作品和基於微納加工技術的作品。基於傳統手工藝的微納米建築代表作如圖3所示，是當代英國微雕大師Willard wigan創作的—“針頭大小的勞埃德大廈”[4]。 勞埃德大廈是倫敦的標誌性建築之一，由著名建築師理查德·羅傑斯設計。該大 廈被雕刻在一枚大頭針的針頭上，僅有一粒砂糖大小。該大廈微雕作品的創作過程實際上和宏觀的雕刻作品相似，只不過創作或欣賞過程中均需要解析度較高的顯微 鏡，同時，它對雕刻工具的要求也很高。基於微納加工技術的作品如圖1、圖2所示，還有圖4所示的“納米悉尼歌劇院”[5]。圖4的“納米悉尼歌劇院”是澳大利亞斯溫伯爾尼理工大學科學家的作品。為了創作該作品，創作者採用了一種被稱作“雙光束聚合”的技術。納米劇院的大小為幾十微米，同紅細白大小相當。
從作品的尺度來講，微納建築藝術作品可以分為百微米量級的以及微納米量級的兩大類。一般來說，基於傳統手工藝的作品大都屬於百微米量級的，如圖3的“勞埃 德大廈”等。這些作品的整體尺寸近乎毫米量級，但局部細節屬於百微米量級。基於微納加工技術的作品則大多屬於微納米量級，如圖1、圖2、圖4的作品，以及 圖5所示“納米閣樓”。圖5的“納米閣樓”尺寸為十餘微米，同樣採用“雙光束聚合”製作工藝[6]。這些作品的整體尺寸可達到微米量級，但局部細節尺寸為納米量級。百微米量級的作品一般用高倍的光學顯微鏡就能看得清楚，而要欣賞微納米量級的作品，則通常需要解析度更高的電子顯微鏡，甚至原子力顯微鏡等。
從電腦虛擬與現實的角度來看，微納建築作品可分為實際的和電腦虛擬設計的作品。由於本文中絕大多數範例屬於實際的納米建築作品，故這裏僅列舉一例電腦虛擬的納米建築作品。如圖6所示，該作品是某科學網站上展示的“原子風車”模型[7]。該風車的每個葉片均有6個原子構成，風機機艙由幾十個原子構成，風車架由幾百個原子構成；風車佇立的地面為某金屬晶體的原子表面，顯示了未來人們渴望利用微觀世界能量的美好願望。
從作品的創作機理來看，微納建築藝術作品可分為基於物理方法和化學方法的作品。一般來說，傳統手工創作的作品大多屬於物理方法，如圖3所示的“勞埃德大 廈”。而如圖2、圖4、圖5的納米建築則屬於化學方法製作的作品，因為“雙光束聚合”技術、FIB-CVD技術中都涉及有機物的光化學固化反應或離子誘導 化學反應。此外，像圖7所示的作品--“曼哈頓西區”也屬於化學方法製作的作品[8]。該作品實際是一張矽晶體表面經等離子體腐蝕後的微觀照片──微觀電子顯微鏡照。作者為荷蘭菲利普公司的Frans Holthuysen等人。照片中，數微米高度的一棟棟“高樓”聳立著，酷似電影中美國曼哈頓西部的繁華商業區。
另外，從作品創作的必然性來看，又可分為有意識的，以及偶然間得到的作品。事實上，在一些化學或者微觀科學試驗研究工作中，時常會在顯微鏡下發現酷似建築物的作品，如圖8所示的納米高樓[9]。該納米高樓是西班牙科學家Irene Fernandez等人的作品，一張電子顯微鏡照片；該作品曾榮獲2004年國際光子/電子/離子束加工微觀美圖大賽最佳電子獎。圖中納米高樓實際上是Irene Fernandez在清洗並烘乾試樣後在試樣表面偶然發現的，是一個殘留在試樣表面的聚合物污漬而已。
3. 納米建築藝術創作技術
1）傳統的手工微雕技術
英國著名雕刻大師Willard wigan是當代微雕藝術的傑出代表。他的微雕藝術作品被一些媒體譽為“世界第九大奇跡”。Willard wigan的作品通常都是在光學顯微鏡下完成的。以圖3“針頭大小的勞埃德大廈”為例。為了製作該勞埃德大廈，Willard wigan整整用４個月時間，他用一套自製工具在金粒上進行微雕，用一根從蒼蠅背上拔下的毛當作刷子來上色。創作時，為避免手發生顫抖，他的注意力要高度 集中，呼吸均勻，並盡可能利用兩次心跳的間隔來工作。整個創作過程中，任何細微的失誤都會導致整個創作的失敗，因為，在顯微鏡下，每次手部顫抖都會像地震 一樣具有破壞力。日前，該微雕作品已經以18.8萬美元的高價被藝術收藏家購買。
2）矽表面等離子腐蝕技術
等離子腐蝕是當今微電子領域中常用的矽表面微結構加工技術。等離子腐蝕加工的流程大致如下：使用等離子體發生器在矽的表面形成硫化氟、氟等等離子體；然後 讓等離子體和矽表面發生反應；當氟離子與矽表面接觸反應後便會生成易揮發的氟化矽；氟化矽蒸發後，矽表面受到腐蝕，得到了相應的雕刻和微加工圖形。
目前，研究者發現，電子顯微鏡下，等離子腐蝕後的矽晶體微觀表面常常會出現類似“城市中高樓林立”的情形。如圖9所示，該幅作品就是巴西金邊大學Alfredo Rodrigues Vaz等人用等離子體腐蝕矽晶體後得到的，作品名為“拉莫爾市區”[10]。該作品顯然和圖7 西班牙科學家Irene Fernandez等人的作品“曼哈頓西區”極為相似，一棟棟高樓樹立在矽的表面，有異曲同工之效。
3）離子束化學氣相沉積（FIB-CVD）技術
離子束化學氣相沉積技術是日本學者松井真二最早提出的。該技術需要將一材料基體置於芳烴的實驗氣氛環境中，並採用30keV的聚焦鎵離子束在基體表面進行化學氣相誘導沉積[11]。 目前，利用該項技術，松井真二已經在頭髮絲表面製作了多個三維的納米結構（雕塑）。FIB-CVD雕塑製作的思路可大致描述如下：沉積時，先固定離子束， 在材料基體表面誘導形成一個基礎立柱；然後離子束被移動一個不超過立柱直徑的距離，靜止不動直到在立柱頂端沉積出幾十納米厚度的階梯；繼續重複上述過程， 就能使得沉積的材料層層疊加在前面沉積的結構上；最終在基體表面構造出複雜的三維納米結構（塑像）來。圖2以及圖10“頭髮上的體育場館”都是FIB- CVD技術的代表作[11]。在圖10中，體育場的尺寸為數微米，僅為頭髮絲的幾百分之一大小。
4）雙光束聚合技術
近年來，科學家發明了一種被稱作“雙光束聚合”（Two-photon polymerization）的三維微結構成型技術[12]。在雙光束聚合製作微納米雕塑過程中，科學家使用兩股鐳射射線照射一 種合成樹脂溶液，溶液中只有被兩股鐳射射線交叉照射到的那部分樹脂才凝固起來，形成雕塑件的“部件”，這樣的部件的精度可達到120納米，而1納米等於 100萬分之一毫米。圖4、圖5所示的均為雙光束聚合的納米建築作品。
5）電子束平面刻蝕技術
電子束平面刻蝕技術的思路大致如下：首先在玻璃表面採用旋塗法覆蓋一層FOX薄膜，然後使用高能電子束對玻璃表面有選擇地進行曝光，並用腐蝕溶液沖洗；沖洗後，未曝光的FOX便在玻璃表面形成了相應的圖案。
圖11為美國克奈爾大學David M. Tanenbaum等人採用電子束平面刻蝕技術在玻璃上繪製的作品“納米夜市”[13]。“ 納米夜市”作品中，有高塔、大廈…燈紅酒綠，一片大都市夜生活的繁榮景象。畫面的線條寬度為100納米左右。值得一提的是，圖1 金色的耶路撒冷也採用了上述類似的創作方法。
6）平面光刻印刷技術
2004年，美國康奈爾大學的研究人員在矽晶片上刻蝕了世界上最小的白宮圖案[14]，如圖12所示。該白宮尺寸約為3×2微米，領導該項工作的是Carl Batt教授。該“納米白宮”連同另一幅作品“納米美國國旗”被鑲嵌在一塊郵票大小的樹脂上，最終將經過白宮負責人轉交給美國總統。該項工作已經得到了美國國家自然基金的資助，採用的工藝為一種先進的納米平面印刷技術。為了製備這面旗幟，Carl Batt教授在矽晶片表面覆蓋上一層玻璃膜，然後在薄膜上刻蝕了間距為納米量級的平行線條。由於這些線條的間距恰好和紅、蘭或綠等可見光中的光波長相對應，因此，稍微傾斜一下該晶片，就會觀察到不同顏色所顯示的白宮。
7）.鐳射直寫技術
鐳射直寫技術是近年來發展的一種在光刻膠上製作任意形狀三維納米結構的微加工技術。在納米結構製作過程中，光刻膠只與鐳射光波的中間部分發生作用，這就相 當於光刻膠對於鐳射來說是透明的，因為單光子的能量處於材料的吸收限以下。通過嚴格聚焦會得到高強度的超短脈衝鐳射。當鐳射與光刻膠發生相互作用時，會產 生強烈的多光子吸收效應，使鐳射強度足夠對光刻膠進行曝光。這種多光子吸收效應會使部分光刻膠發生化學或者物理變化，其變化程度可以通過調節鐳射功率進行 控制。這種變化多呈橢圓形，是製作三維納米結構的基本結構單元。樣品的移動和鐳射強度控制均由電腦系統同步調節。對於光刻膠來說，不論是經過曝光的(正 性光刻膠)部分還是未經曝光的(負性光刻膠)部分都會在後期的顯影液中去除，最終留下希望得到的納米雕塑。
最近，德國Nanoscribe公司的科學家利用本公司的鐳射直寫系統，已經創作了多個優秀的微納米建築作品，如圖13所示，高度幾百微米的埃菲爾鐵塔以及在高約百微米的納米勃蘭登堡門[15]。注：勃蘭登堡門位於柏林市中心，是柏林市區著名的遊覽勝地和德國統一的象徵。
8）聚焦離子束雕刻技術
在2006年第16屆以及2008年第18屆國際顯微鏡大賽中，日本科學家Yuya Suzuki等人先後提交了“札幌鐵塔”和“金色寺院”等兩副作品[16,17]，這兩幅作品均獲得該項賽事的大獎。如圖14所示，作品中的“札幌鐵塔”和“金色寺院”高度均為幾十微米，材質為矽晶體，需高倍電子顯微鏡才看得清。
為了製作這些作品，Yuya Suzuki等人首先通過微採樣法從晶體矽上提取體積極小的矽顆粒，然後將其固定在針尖上；接著旋轉針尖，利用聚焦的離子束“轟擊”矽顆粒；由於離子束的 能量極高，可以有選擇地熔化、蒸發矽顆粒局部表面的材料，即對矽顆粒進行雕刻，因此，只要即時精確地控制離子束和矽顆粒的相對位置，理論上就可以雕出任意 的三維結構來。而“札幌鐵塔”和“金色寺院”就是上述聚焦離子束雕刻技術的上乘之作。
9）電腦虛擬設計及其他技術
近年來，受納米器件“從下到上”設計思想的啟示，市場上已經出現了一些所謂的 電腦輔助納米工程設計軟體。目前的電腦輔助納米工程設計軟體主要有NanoXplorer和NanoEngineer-1[18]。 NanoXplorer和NanoEngineer-1都屬於納米器件仿真設計軟體，專門用於設計各種分子器件、納米器件和納米機器。 NanoXplorer和NanoEngineer-1都是依據生命科學、物理化學、分子物理力學等工程原理來構建納米器件的綜合設計工作平臺，儘管如 此，這些軟體也為創作包括納米建築在內的納米藝術作品提供了工具，如圖6所示的原子風車模型就是使用這些軟體構建的。
值得一提的是，近年來，科學家們用納米壓印與納米列印等技術，相繼成功地繪製了各種圖案。事實上，這些技術同樣也可以用於微納米建築圖案的創作。
4. 結束語
納米建築藝術作品的創作是一個多學科交叉的過程，涉及到化學、物理、材料、微加工、電腦、微電子等知識和技術，而其成像卻又要依賴高倍的光學顯微鏡、電 子顯微鏡乃至掃描探針顯微鏡。隨著納米科技的飛速發展，以及藝術家的不斷介入，微納米建築藝術作品創作中人的主觀能動性日益增大，同時也必將表現出巨大的 經濟與藝術價值。
參考文獻
[1] 沈海軍，時東陸. 納米藝術概論.清華大學出版社，2010
[2]
http://www.zyvexlabs.com/EIPBNuG/97MicroHonor.html
[3]
http://www.zyvexlabs.com/EIPBNuG/EIPBN2004/2004.html
[4] 藝術家製作出針頭大小縮微版大樓.
http://money.678678.com/content/200...7177252867.html
[5]
http://www.skyscrapercity.com/showthread.php?t=129757
[6]
http://nanoart.lingd.net/article-3096962-1.html
[7]
http://nanoart.lingd.net/article-4582928-1.html
[8]
http://www.zyvexlabs.com/EIPBNuG/EIPBN2006/2006.html
[9]
http://www.zyvexlabs.com/EIPBNuG/EIPBN2007/2007.html
[10]
http://www.zyvexlabs.com/EIPBNuG/EIPBN2009/2009.html
[11]沈海軍. 發絲表面藝術及其創作. 美與時代.2011(7):42-45
[12]沈海軍. 微納米雕塑藝術與微納米雕刻技術. 藝術科技2009(12):38-41
[13]
http://www.zyvexlabs.com/EIPBNuG/EIPBN2001/2001.html
[14]
http://www.news.cornell.edu/release...ag.bpf.doc.html
[15]
http://www.popularmechanics.com/tec...ring/gonzo/0/10
[16]
http://www.hitachi-hitec.com/global...2006/index.html
[17]
http://www.hitachi-hitec.com/global...art/2008/2.html
[18] 沈海軍,史友進. NanoXplorer器件及其分子槍的設計.納米科技2004(5): 23-26