納米碳管藝術

沈海軍

提起納米碳管，很多人都知道，那可是納米科技中的明星。納米碳管是由碳原子組成的中空的納米管狀分子，強度和鋼材相當，密度只是鋼的1／6；它可以用來存儲氫，儲氫效率比現有的儲氫材料高出一倍；納米碳管中空'的結構可被利用開發藥物輸運載體；奇特的電學特性可以被用來制作未來分子計算機中的晶體管，等等。

不過，說起納米藝術和納米碳管藝術，大多數人還真沒聽說過：難道納米、納米碳管也可以用來搞藝術?

納米藝術是近幾年才出現的新生事物，是隨著納米科技的飛速發展而產生的納米學科分支。作為納米科技的“明星”，納米碳管當然不能被排除在外，它是納米藝術中的主角。

現在，科學家或者納米藝術家已經可以用納米碳管做平面繪畫、三維造型、納米碳管揚聲器、納米收音機、納米琴弦、SPM(掃描探針顯微鏡)繪畫的“畫筆”等。另外，科學家們做納米碳管理論研究時也常常發現，納米碳管的分子構型、周圍的電磁場等通常也都具有一定的藝術欣賞性。

納米碳管平面繪畫藝術

說起納米碳管平面繪畫藝術，最值得一提的要算前一陣在媒體上被炒得沸沸揚揚的“納米奧巴馬”頭像了。納米奧巴馬頭像是由美國密歇根州立大學機械工程系教授約翰·哈特制造的。如圖1所示，每個納米奧巴馬頭像包含著1.5億個納米碳管，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，直徑僅為人類頭發的五萬分之一。據稱，為了創建“納米奧巴馬”頭像，哈特教授模仿了畫家謝潑德·費爾雷繪制的奧巴馬素描。首先，哈特將素描頭像縮小，并使用激光將頭像打印在一塊玻璃板上；然后，用紫外線照射模板。當紫外線穿過這個玻璃板模具時，會在一張硅薄片上形成相應的投影頭像；接著，他在這個頭像圖形的基礎上生成納米碳管，在制造納米碳管時采用了高溫催化化學反應；最后，使用電子顯微鏡對納米奧巴馬頭像進行拍照，得到了頭像僅有0.5毫米大小的納米藝術作品。

事實上，像這樣用納米碳管進行平面繪畫，對約翰-哈特教授來說并非第一次。早在2006年，哈特就因采用了類似的方法繪制了40個Playboy的納米碳管小兔子畫像而名聲大噪。如圖2所示，當時繪制的每只兔子的尺寸僅為100多微米。目前，這種納米碳管的平面繪畫技術已經比較成熟。

納米碳管三維造型藝術

如果說上面談到的納米奧巴馬和納米小兔子均屬于納米碳管的平面繪畫藝術，那么，美國倫斯勒工業大學一位教授運用納米管立體結構“繪制”的“雛菊”，則應屬于納米碳管的三維造型藝術范疇。如圖3所示，畫面上顯現的一朵朵三維“雛菊”均由成千上萬個排列方向不同的納米碳管束構成，雛菊的直徑約80微米。該成果展現的是這位教授不久前開發的一種新方法：用納米碳管作骨架按設計要求制作立體結構。

該項作品的制作思路大致如下：首先，在硅半導體上做成氧化硅模具；然后，在這個模具上利用化學氣相生成法所需的條件對納米碳管的生長速度進行控制，從而使它們成長為符合目標方位的碳管造型。

納米管音頻藝術

2009年1月，美國《連線》雜志評選出2008年十大科學突破。圖5納米碳管小刀?納米碳管單弦琴?其中之一為我國清華大學科學家使用納米碳管制作的揚聲器。這個揚聲器實際上是一種納米碳管薄膜，其發聲機制和普通揚聲器完全不同，普通揚聲器的發聲機制為機械振動，納米碳管膜的發聲機制為熱致發聲，即通過電流加熱“使之”振動并發出聲音。這種納米碳管揚聲器的聲音雖然有點刺耳，但仍能依稀聽出播放的是什么歌曲。

另外一個利用納米碳管發聲的設備為納米碳管收音機。它是美國加州大學物理學家澤托教授2007年的杰作。

2006年，美國科學家辛格制成了納尺度的“納米小刀”，這把納米小刀被認為將來可能用于細胞手術。事實上，納米碳管小刀也相當于一把單弦琴，若利用激光脈沖或SPM探針撥動琴弦，如圖5所示，使得納米碳管振動起來，該單弦琴也同樣會發出特定頻率的聲音來。

上述種種跡象表明，納米碳管揚聲器、收音機、單弦琴的出現，使得納米碳管發聲、甚至歌唱成為可能，這將為今后納米聲樂藝術的發展提供嶄新的思路。

納米管在“SPM繪畫”中的應用

20世紀80年代，掃描探針顯微鏡(SPM)的發明使人們對物質世界的認識與改造深入到了原子和分子層面。SPM成為人類首次既可以直接觀察原子、分子、納米粒子，又可以直接操縱原子、分子、納米粒子的工具。如圖6所示，由于SPM探針針尖的曲率半徑小，并且和樣品之間的距離很近，在針尖與樣品之間可以產生一個高度局域化的力場、電場等。該場會在針尖所對應的樣品表面微小區域產生力的作用、相變、化學反應等，這正是利用SPM進行納米加工、操縱粒子和繪畫的客觀依據。

圖7為科學家使用SPM搬動一氧化碳分子在鉑表面繪制(拼出)的“分子人”，分子人身高僅為幾個納米。要像圖7那樣使用SPM搬動原子、分子進行繪畫，SPM探針針尖的曲率半徑必須要足夠小，最好達到幾十納米(1納米=10^-9米，相當于1米的10億分之一)。然而，目前大多數SPM探針針尖的曲率半徑都在300納米以上，用這么粗的SPM探針去操縱直徑小于1納米的原子或分子，就好比我們用一個磨盤粗細的“大柱子”去撥動一粒芝麻一樣，顯然是力不從心的。為此，科學家們成功地在SPM探針針尖上安裝了納米碳管，最終解決了上述難題。由于納米碳管的直徑很細，一般只有幾十納米，這樣，SPM搬動原子／分子進行作畫、并對最終的原子／分子畫進行觀察就變得容易了。原子、分子繪畫也終于有了強有力的工具。

納米管理論研究過程中的藝術

為了研究納米碳管的力學、電磁學等物理化學特性，科學家經常采用各種計算機軟件對納米碳管進行電磁場、力場等理論模擬。如果留意的話，科學家會發現，模擬的結果中，碳管周圍的各種電磁場等往往是絢麗的，常帶有一定的藝術性。正如圖8所示，它們分別為理論模擬后納米碳管束周圍的磁場和電場。

由于納米碳管具有中空的柱狀結構，因此，在設計未來的分子機器中，經常被認為是優先考慮的“部件”。現在，美國的一些納米軟件公司已經開發了專門的納米工程設計軟件，用來設計分子機器。目前，使用這款軟件，科學家們已經設計了許多具有特定功能的分子機器。如果從審美的角度來看，這些機器個個都堪稱微觀世界的藝術珍品。在這些納米工程設計軟件中，納米碳管模型的生成都被無一例外地作為一個重要的模塊；納米碳管已成為計算機輔助分子機械設計中的重要單元。圖9為納米工程設計軟件設計的分子傳動齒輪實例。在該分子機械中，兩個納米管分別被用作主動和從動齒輪的中軸。

事實上，即使不去考慮納米碳管周圍的場的分布或者其他部件，只要心情好，在計算機軟件／屏幕上沿著碳管的軸向看去，這種納米碳管的景象同樣能給人以美的視覺享受。(文章代碼：1306)

責任編輯趙菲