微納米世界中的小人物

　　小，還要更小
　　
　　20世紀(jì)末至本世紀(jì)初，納米技術(shù)的發(fā)展給傳統(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。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”，成功雕刻出人物身高約1毫米的微縮版“思想者”；2007年，兩位意大利納米藝術(shù)家采用“光刻”技術(shù)制作了硅自由女神像雕塑，這位自由女神像的身高僅為0.5毫米；比上述自由女神像還小的“納米”雕塑（圖1）來(lái)自美國(guó)伯明翰大學(xué)納米研究實(shí)驗(yàn)室，這是一個(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)；但伯明翰大學(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（圖2）。它是一個(gè)“分子人”，塑像共由28個(gè)一氧化碳分子組成。兩相比較，陜西乾陵的參拜石像高度足足為“分子人”身高的3000萬(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)家提供了極大的藝術(shù)創(chuàng)作舞臺(tái)。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)行創(chuàng)作，充分彰顯了微納科技與藝術(shù)的高度結(jié)合。
　　
　　微納米人物藝術(shù)的種類(lèi)
　　
　　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。基于不同的視角，微納米人物藝術(shù)有不同的分類(lèi)。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。圖3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)”；圖4顯示的則是德國(guó)卡爾蔡司納米技術(shù)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。
　　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。基于傳統(tǒng)手工的作品如圖3所示，其創(chuàng)作過(guò)程和我們?cè)谡－h(huán)境中進(jìn)行創(chuàng)作的過(guò)程相似，靠手工完成，只是在創(chuàng)作或欣賞過(guò)程中需要借助于高倍顯微鏡，同時(shí)，對(duì)雕刻及繪畫(huà)的工具也有很高要求?；谖⒓{技術(shù)的作品如圖4所示，還有圖5所示的日本學(xué)者千秋南和松井真二采用聚焦離子束-化學(xué)氣相沉積技術(shù)（FIB-CVD）在半導(dǎo)體表面上構(gòu)造的“做瑜伽的納米小人”?；谖⒓{技術(shù)的作品創(chuàng)作通常需要使用能夠產(chǎn)生高能量聚焦離子束或光束的設(shè)備，有時(shí)甚至還要求苛刻的實(shí)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)，物理法僅涉及材料的舍棄、搬移或水彩的黏附?；瘜W(xué)方法則往往要涉及到材料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)三大類(lèi)。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)手工創(chuàng)作的人物微雕或微畫(huà)大都屬于百微米量級(jí)的，圖3“發(fā)絲上的美國(guó)總統(tǒng)”，其特征尺寸都在幾百微米附近?；谖⒓{技術(shù)的雕刻或塑像，則大多屬于微納米量級(jí)，如圖5所示，這些做瑜伽的小人，僅高2微米左右，但小人的胳膊及腿的粗細(xì)為數(shù)百個(gè)納米。百微米量級(jí)的作品在高倍光學(xué)顯微鏡下可以看得很清楚；但要欣賞微納米量級(jí)的作品，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)帶入了分子尺度。一個(gè)高幾十余納米的分子就是一個(gè)人物形象，還真是神奇。
　　
　　微納米人物藝術(shù)的創(chuàng)作技術(shù)
　　
　　傳統(tǒng)的手工創(chuàng)作工藝
　　上面講到的金銀華，是當(dāng)代微納米藝術(shù)的杰出代表。他的作品通常要借助光學(xué)顯微鏡來(lái)完成。以圖3為例，為了在發(fā)絲表面完成作品，金銀華專(zhuān)門(mén)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；接著，在數(shù)百倍的光學(xué)顯微鏡下在發(fā)絲表面涂抹，并繪制出一個(gè)個(gè)鮮活的美國(guó)總統(tǒng)形象?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)的手工微雕和微畫(huà)創(chuàng)作，不僅要求藝術(shù)家具有嫻熟的技藝，同時(shí)也在考驗(yàn)藝術(shù)家的耐心和毅力。
　　離子束（FIB）刻蝕技術(shù)
　　FIB刻蝕技術(shù)采用電磁場(chǎng)加速和聚焦帶電離子，進(jìn)而對(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。遺憾的是，F(xiàn)IB刻蝕技術(shù)效率低下，很難在實(shí)際中得到應(yīng)用，但這并不妨礙藝術(shù)家用它來(lái)開(kāi)展納米雕刻藝術(shù)創(chuàng)作。如圖5所示，“做瑜伽的納米小人”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，立體程度很高，各個(gè)小人姿態(tài)的相似性極高。
　　離子束-化學(xué)氣相沉積技術(shù)
　　離子束-化學(xué)氣相沉積（FIB-CVD）技術(shù)最早是由日本學(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)環(huán)境中，并采用3萬(wàn)電子伏特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。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）。圖5就是這項(xiàng)技術(shù)的代表作。
　　雙光束聚合技術(shù)
　　近年來(lái)，一種被稱(chēng)作“雙光束聚合”的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到三維納米構(gòu)型加工領(lǐng)域，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6。該塑像高度僅為4個(gè)紅血球大小，即只有五萬(wàn)分之一米高。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)。
　　在作品的制造過(guò)程中，科研人員使用兩股激光射線照射浸在合成樹(shù)脂溶液中的材料表面，溶液中只有被兩股激光射線交叉照射到的那部分樹(shù)脂才會(huì)凝固，形成雕塑件的“部件”，這樣的部件精度為120納米。
　　DNA折疊術(shù)
　　2006年，美國(guó)加州工學(xué)院納米科學(xué)家羅斯曼博士創(chuàng)造出了世界上最小的人臉（圖7）：DNA納米笑臉，同時(shí)這也是世界上最“有分量”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，整個(gè)笑臉的直徑只有幾十個(gè)納米。
　　該笑臉制作所采用的工藝為“DNA折紙術(shù)”，有關(guān)研究發(fā)表于2006年英國(guó)《自然》雜志。為此，羅斯曼博士也被尊稱(chēng)為“DNA笑臉之父”。
　　納米粒子打印技術(shù)
　　圖8所示的“人臉形納米太陽(yáng)徽章”為IBM公司蘇伊士實(shí)驗(yàn)室的托比亞斯博士所繪制。該徽章采用了一種被稱(chēng)作“納米粒子打印技術(shù)”的手法繪制而成，即通過(guò)使用與噴墨打印機(jī)類(lèi)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。
　　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（聚二甲基硅氧烷）。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)家為奧運(yùn)會(huì)送來(lái)了一份大禮，那就是1.5萬(wàn)枚奧運(yùn)會(huì)會(huì)徽。不要覺(jué)得這沒(méi)什么了不起的，要知道，這1.5萬(wàn)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)徽被印在一塊金箔表面，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——“Beijing 2008”是由大約兩萬(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)由大約4000個(gè)直徑為600納米的點(diǎn)構(gòu)成。
　　STM分子搬動(dòng)技術(shù)
　　掃描探針顯微鏡（STM）是20世紀(jì)80年代由IBM兩位科學(xué)家發(fā)明的一種儀器。STM也被稱(chēng)作是納米科學(xué)家的“手”和“眼”。通過(guò)掃描探針顯微鏡，科學(xué)家利用該儀器的探針，不僅可以觀察原子、分子，還可以搬動(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2“一氧化碳分子人”，它是科學(xué)家通過(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，28個(gè)分子組成的“人”，這下你知道什么是真正的“小人”了吧！
　　浸筆印刷術(shù)
　　美國(guó)西北大學(xué)的默金研究小組近來(lái)開(kāi)發(fā)了一種被稱(chēng)作“浸筆印刷術(shù)（DPN）”的技術(shù)。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