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微納米人物藝術（科普－附圖）
沈海軍 文
一、引 言
作為社會的主宰，人類創造了經濟、政治、軍事、體育….同時也創造了文化和藝術。在人類的文藝活動中，他既是文藝創作的主體，同時也是文藝創作的對象和素材；譬如，舞蹈、繪畫、雕塑、曲藝、電影中，人物形象都長期以來佔據著舉足輕重的位置。
二十世紀末至本世紀初，納米技術的發展對傳統藝術帶來了巨大衝擊。其中，一個重要的特徵就是藝術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生產更多、更優秀的藝術作品[1]。這一特徵在微納米人物藝術創作方面尤為突出。以人物雕塑為例，陝西乾陵武則天無字碑前的參拜石像，高度和普通人相當；清朝張潮的《核舟記》中記載的桃核小船長不盈寸；英國當代微雕大師威拉德，借助顯微鏡，在大頭針上仿照法國藝術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，兩位義大利納米藝術家Scali和Goode則採用“光刻”技術製作了矽自由女神像雕塑，身高僅為0.5毫米；比上述自由女神像還小的“納米”雕塑（見圖1（a））來自美國伯明翰大學納米研究實驗室，是一個真正意義上的“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；儘管如此，伯明翰大學的“納米人”還不是最小的，目前世界上最小的雕像來自美國IBM公司的科學家。如圖1（b）所示，是一個“分子人”，塑像共由28個一氧化碳分子組成。比較一下，陝西乾陵的參拜石像高度足足為“分子人”身高的三千萬倍。
對於一般人來說，微納觀世界是極其細微的。但在顯微鏡下，微納觀世界卻為納米藝術家提供了很大的藝術創作舞臺[2]。現在，借助顯微鏡和先進的微納技術，一些科學藝術家已經可以在微觀世界裏進行人物塑像、人物雕刻、人物繪畫等，充分彰顯了微納科技與藝術的高度結合。
二、微納米人物藝術的種類
微納米人物藝術是近些年來才出現的一種微型藝術形式。基於不同的視角，微納米人物藝術有不同的分類。從表現形式來講，微納米人物作品可分為人物塑像、人物繪畫、人物雕刻等。如圖2所示，這是英國當代微雕大師Willard Wigan創作的微雕藝術品—“針眼裏的自由女神像”[3]，自由女神的身體、頭部、手足等的粗細和頭髮絲相當；再如圖3所示，這是當代華人微雕藝術家金銀華的作品-“一根頭髮絲上彩繪的40位美國總統”[4]；圖4則顯示的是德國Carl Zeiss NTS公司的科學家採用所謂的“聚焦離子束”刻蝕工藝，在矽表面雕刻的具有立體感的美國前總統林肯像[5]。
從製作工藝上來看，微納米人物藝術作品可分為基於傳統手工的作品和基於微納技術的作品。基於傳統手工的作品如圖2、圖3所示，這些微雕或微畫的創作過程其實和宏觀相似，靠手工完成，不過創作或欣賞過程中需要高倍的顯微鏡，同時，對雕刻/繪畫的工具也有很高的要求。基於微納技術的作品如圖4所示，還有圖5所示的日本學者Chiaki Minari和Shinji Matsui採用FIB-CVD（聚焦離子束-化學氣相沉積）技術在半導體表面上構造的“做瑜伽的納米小人”[6]。基於微納技術的作品創作通常需要能夠產生高能量聚焦離子束或光束的設備，有時甚至還要求苛刻的試驗環境。
從微納米人物藝術的創作機理來看，又可分為基於物理方法和基於化學方法的作品。一般來說，像圖2、圖3這種基於傳統手工方法創作的微雕或微畫大多都屬於物理方法的作品。其過程僅涉及材料的捨棄、搬移或水彩的粘附。而像圖4、圖5所示的基於微納技術的雕刻或塑像大多都可以歸結為基於化學方法的作品。這些藝術品的創作過程中往往要涉及到發質表面成分的變化或新物質的產生。
從作品的尺度來講，微納米人物藝術作品可分為百微米量級、微納米量級以及納米級的三大類。一般來說，傳統手工創作的人物微雕或微畫都大都屬於百微米量級的，如圖2“針眼裏的自由女神像”和圖3“發絲上的美國總統”，這些作品的特徵尺寸都在幾百微米附近。基於微納技術的雕刻或塑像則大多都屬於微納米量級，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、腿的粗細為數百個納米。百微米量級的作品在高倍光學顯微鏡下就能看得很清楚，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。值得一提的是，近年來，有機化學中，人形分子的發現將人物藝術引入了分子尺度。如圖6所示，一個幾十餘納米的分子就是一個人物形象，還真是神奇。
三、微納米人物藝術的創作技術
1. 傳統的手工創作工藝
上面講到的Willard Wigan和金銀華都是當代微雕微畫藝術的傑出代表。他們的微雕或微畫作品通常要借助光學顯微鏡來完成。以圖2 Willard Wigan的作品“針眼裏的自由女神像”為例，其創作過程大致如下：首先使用極其微小的刻刀（刻刀的刃部尺寸約為發絲直徑的1/7）對金塊、砂糖粒或沙粒進行微雕；雕刻這些作品時，必須保持高度注意力，呼吸均勻，並抓緊利用兩次心跳的間隔來工作；事實上，任何一點失誤都會毀掉整個作品。整個過程，包括作品的欣賞都需要借助高倍的光學顯微鏡來完成。再如，圖3“發絲上的40位美國總統”，作者金銀華同樣是在光學顯微鏡下完成的。為了在發絲表面完成40位總統的彩色繪製，金銀華專門用老鼠的鬍鬚和雞毛杆製作了“鼠須筆”，同時又將普通國畫的顏料精研磨成極其細微的微型畫顏料[7]；接著，在數百倍的光學顯微鏡下對發絲表面塗抹，並繪製出了一個個鮮活的美國總統形象。可見，傳統的手工微雕/微畫創作，不僅要求藝術家要有嫺熟的技藝，同時也在考驗藝術家的耐心和毅力。
2. 離子束（FIB）刻蝕技術
FIB刻蝕技術採用電磁場加速和聚焦帶電的離子，進而可對矽等材質的表面進行刻蝕，如圖4所示。FIB刻蝕原理與目前市場上流行的光刻技術相似，但由於離子的德布羅意（物質波）波長很短，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，聚焦離子束刻蝕發展得較早，也較為完備，特別是鎵離子聚焦技術。最近實驗研究中已採用鎵離子已獲得了10納米的解析度[8]。遺憾的是，FIB刻蝕技術效率低下，很難在實際生產中得到應用，但這並不妨礙科學藝術家用它來開展納米雕刻藝術創作。如圖5所示，該“做瑜伽的納米小人”作品在2004年國際電子束/離子束/光束技術與納米加工微觀大賽中榮獲了一等獎。作品中，每個小人身高2微米左右。作品的立體程度很高，每個小人姿態的相似性極高。可謂納米雕塑中的極品。
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最早是日本學者松井真二提出的。該技術需要將一根頭髮置於芳烴的實驗氣氛環境中，並採用30keV的聚焦鎵離子束在材料表面進行化學氣相誘導沉積[9]。目前，利用該項技術，科學家們已經製作了多個三維的納米結構（雕塑）。如圖7所示，FIB-CVD雕塑製作的思路如下：沉積時，先固定離子束，在發絲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；最終在材料表面構造出複雜的三維納米結構（塑像）來。圖5“做瑜伽的納米小人”就是FIB-CVD技術的代表作。
4. 雙光束聚合技術
近年來，一種被稱作“雙光束聚合”的技術已經被發展到三維納米構型的加工[10]，並被用於材料表面塑像的構建。這裏，最為典型的當數韓國研究人員的雕刻作品--“思想者”，見圖8。該塑像高度僅為四個紅血球大小，高只有五萬分之一米。然而，這個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[10]。
在納米思想者的製造過程中，Ovsianikov使用兩股鐳射射線照射浸在合成樹脂溶液中材料的表面，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”，這樣的部件的精度為120納米。
5. DNA折疊術
2006年，美國加州工學院納米科學家Rothemund博士創造出了世界上最小的人臉（見圖9）：DNA納米笑臉，同時這也是世界上最“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鏈是生命的遺傳物質，鏈的粗細為幾個納米，而整個笑臉的直徑只有幾十個納米[11]。
該笑臉製作所採用的工藝為“DNA折紙術”，發表於2006 年英國自然雜誌。為此，Rothemund博士也被尊稱為“DNA笑臉之父”。
6. 納米粒子列印技術
如圖10所示，“人臉形納米太陽徽章”為IBM公司蘇伊士實驗室的Tobias Kraus 博士繪製的[12]。 該徽章採用了一種被稱作“納米粒子列印技術”的手法繪製而成，即噴墨印表機類似的原理，讓納米顆粒在材料表面有序堆積。整個圖形由大約兩萬個60納米的金 納米顆粒拼成。太陽的形象採用擬人手法，整個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
先通過光學或電子束光刻得到進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。然後將浸過墨的壓模壓到鍍 金的襯底上。最後，採用濕法刻蝕（一種在溶液中進行的刻蝕方法），或通過金膜上的單層硫醇分子來自動鏈接某些有機分子，並在襯底上得到所需的納米圖案。
2008年， 奧運會在北京隆重召開。此時，美國西北大學的納米科學家Mirkin為奧運會送來了一份大禮(見圖11)，那就是一萬五千枚奧運會會徽。不要覺得這沒有什 麼了不起，要知道，這一萬五千枚奧運會會徽個個尺寸都僅有幾十微米左右，所有會徽被印在一塊金的表面，只占了1平方釐米的空間，而印製這些會徽所採用的技 術就是“微接觸印刷”。
這種會徽如此之小，以至於一粒大米上就能放2500個會徽。會徽中的字母和數字─“Beijing 2008”是由大約2萬個直徑為90納米的點組成的；寫意的人形以及奧林匹克五環用大約4000個直徑為600納米的點構成。
8.人形分子
說 起人形分子，必須要提到一個人，那就是美國萊斯大學的化學家Tour教授。Tour教授的主要研究方向之一是有機化學，但2003年發表於《J. Org. Chem.》雜誌23期上的一篇名為“Synthesis of Anthropomorphic Molecules”（“人形分子的合成”）的文章卻使得他名聲大噪。在該文中，出現了幾對手舞足蹈、跳著拉丁舞的“男女”分子運算式（見圖12）。該分 子式形象之生動，構思之巧妙，壓倒了論文內容的本身，讓人拍案叫絕，成為整篇文章的最大亮點。
事實上，Tour教授發表的人形分子屬於一類被稱作“納米莆田”的化學分子。這類分子的最大特徵就是分子結構看起來酷似人的形象，這不禁會使人聯想到《格列佛遊記》中描寫的小人國居民。
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”的分子構型。將“納米孩童”分子溶於醇溶液中加熱，化學反應後常常還會得到其他不同形式的人形分子，如“納米運動員”、“納米王后”、“納米博士”、“納米麵包師”等。
9. STM分子搬動技術
掃描探針顯微鏡（STM）是上世紀80年代IBM兩位科學家發明的一種儀器。利用該儀器的探針，科學家不僅可以觀察原子、分子，還可以對原子、分子STM也 被稱作是納米科學家的“手”和“眼”。通過掃描探針顯微鏡，現在 科學家已經可以搬動一個個原子、分子，親手繪製出想要的原子或分子圖案。如圖1（b），作品“一氧化碳分子人”是科學藝術家Zeppenfeld通過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個分子組成的“人”,這下你知道什麼是真正的“小人”了吧！
10. 浸筆印刷術
美國西北大學的Mirkin 研究小組近來開發了一種被稱作“浸筆印刷術(DPN)”的技術[14]。該技術用原子力顯微鏡（在STM基礎上發展的一種設備）的針尖作“筆”,固態基底作“紙”, 能與基底產生化學反應的分子作“墨水”，分子通過凝結在針尖與基底間的水滴的毛細現象直接“書寫”到基底表面。最近，Mirkin採用DNP給自己創作了一幅寫真的自畫像(見圖13)，該畫像形象傳神，線條清晰，整個畫面的尺寸僅有約200´200微米，畫像中的線條寬度為100納米。
到目前為止,有關DPN的研究成果報導還有直徑為幾微米的斑點、線寬為幾微米的方格等。雖然DPN 的速度比較慢,但能夠使用多種不同的分子作“墨水”,使納米尺度上的印刷具有很大的化學靈活性。
11. 納米碳管化學氣相沉積（CVD）誘導生長
近日，美國密歇根大學科學家使用大約1.5億根納米碳管為當選總統奧巴馬製作了一組畫像。這是一幅在電子顯微鏡下才看到了納米碳管奧巴馬畫像(見圖14)。微型奧巴馬頭像的作者是約翰·哈特教授，他稱他的作品為“納米奧巴馬”[15]。每個納米奧巴馬頭像包含上億個納米碳管，這些納米碳管像叢林中的樹木一樣垂直地排列著，每個納米碳管都是中空圓柱體結構，其直徑僅為人體頭髮的五萬分之一。據稱，哈特製造這件“納米藝術品”的真實目的在於讓更多人來體驗納米技術與藝術的魅力所在。
為 了創建“納米奧巴馬”頭像，哈特採用了畫家謝潑德·費爾雷繪製的奧巴馬素描頭像，該奧巴馬頭像以紅、白、藍三種顏色為主色調，曾頗受美國民眾歡迎。哈特先 是將這個素描頭像進行縮小，並將縮小的頭像列印在一個玻璃板上。然後，照射紫外線穿過這個玻璃板板，將頭像投影在一張矽片上。接著，他巧妙地在矽片表面有 頭像的地方“撒”上催化劑，並使用高溫CVD方法在有催化劑的地方生長納米碳管。最後，研究人員使用電子顯微鏡對矽片進行了拍照，得到了尺寸僅有0.5毫 米大小的納米奧巴馬頭像。
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]沈海軍.納米藝術：藝術與高科技的完美結合.藝術科技,2009（3）：27
[3]
http://www.impactlab.com/2009/04/16...e-works-of-art/
[4]
http://www.impactlab.com/2009/04/16...e-works-of-art/
[5]
http://www.azonano.com/suppliers.aspx?SupplierID=1500
[6] 10個納米人.沈海軍的納米藝術網.
http://nanoart.lingd.net/article-2307701-1.html
[7] 金銀華微雕微畫藝術.
http://www.worldartmiracle.com/
[8] 沈海軍. 納米科技概論. 國防工業出版社.2007
[9]http://www.laser-zentrum-hannover.de/en/fieldsofwork/materialprocessing/nanotechnology/2pp.php
[10] The World's Smallest Thinker | LiveScience.
http://www.livescience.com/technology/070108_mini_thinker.html
[11] Paul W. K. Rothemund，Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns，Nature, 2006 440:297-302
[12]Tobias Kraus, Laurent Malaquin. Nanoparticle printing with single-particle Resolution. Nature Nanotechnology, 2007(2):570-57616
[13] IBM STM Image Gallery.
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/atomo.html
[14] Piner, R. D., Zhu, J., Xu, F. et al. Dip-Pen Nanolithography, Science, 1999 283(29): 661-663
[15]
http://news.cqnews.net/gj/gjsx/2008...119_2629159.htm
http://blog.sciencenet.cn/home.php?...8375&from=space