微納米世界中的小人物

　　小，還要更小
　　
　　20世紀末至本世紀初，納米技術的發展給傳統藝術帶來了巨大沖擊。其中，一個重要的特征就是藝術作品的小型化與微型化。這一特征在微納米人物藝術創作方面尤為突出。以人物雕塑為例，陜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家采用“光刻”技術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）來自美國伯明翰大學納米研究實驗室，這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；但伯明翰大學的“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（圖2）。它是一個“分子人”，塑像共由28個一氧化碳分子組成。兩相比較，陜西乾陵的參拜石像高度足足為“分子人”身高的3000萬倍。
　　對于一般人來說，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極大的藝術創作舞臺。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里進行創作，充分彰顯了微納科技與藝術的高度結合。
　　
　　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?；诓煌囊暯?，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。圖3是當代華人微雕藝術家金銀華的作品——“一根頭發絲上彩繪的40位美國總統”；圖4顯示的則是德國卡爾蔡司納米技術公司的科學家采用所謂的“聚焦離子束”刻蝕工藝，在硅表面雕刻的具有立體感的美國前總統林肯像。
　　從制作工藝上來看，微納米人物藝術作品可分為基于傳統手工的作品和基于微納技術的作品?；趥鹘y手工的作品如圖3所示，其創作過程和我們在正常環境中進行創作的過程相似，靠手工完成，只是在創作或欣賞過程中需要借助于高倍顯微鏡，同時，對雕刻及繪畫的工具也有很高要求。基于微納技術的作品如圖4所示，還有圖5所示的日本學者千秋南和松井真二采用聚焦離子束-化學氣相沉積技術（FIB-CVD）在半導體表面上構造的“做瑜伽的納米小人”。基于微納技術的作品創作通常需要使用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實驗環境。
　　從微納米人物藝術的創作機理來看，又可分為基于物理方法和基于化學方法的作品。一般來說，物理法僅涉及材料的舍棄、搬移或水彩的黏附?；瘜W方法則往往要涉及到材料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三大類。一般來說，傳統手工創作的人物微雕或微畫大都屬于百微米量級的，圖3“發絲上的美國總統”，其特征尺寸都在幾百微米附近。基于微納技術的雕刻或塑像，則大多屬于微納米量級，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為數百個納米。百微米量級的作品在高倍光學顯微鏡下可以看得很清楚；但要欣賞微納米量級的作品，通常需要分辨率更高的電子顯微鏡。值得一提的是，近年來，有機化學中人形分子的發現將人物藝術帶入了分子尺度。一個高幾十余納米的分子就是一個人物形象，還真是神奇。
　　
　　微納米人物藝術的創作技術
　　
　　傳統的手工創作工藝
　　上面講到的金銀華，是當代微納米藝術的杰出代表。他的作品通常要借助光學顯微鏡來完成。以圖3為例，為了在發絲表面完成作品，金銀華專門用老鼠的胡須和雞毛桿制作了“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；接著，在數百倍的光學顯微鏡下在發絲表面涂抹，并繪制出一個個鮮活的美國總統形象。可見，傳統的手工微雕和微畫創作，不僅要求藝術家具有嫻熟的技藝，同時也在考驗藝術家的耐心和毅力。
　　離子束（FIB）刻蝕技術
　　FIB刻蝕技術采用電磁場加速和聚焦帶電離子，進而對硅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，但由于離子的德布羅意（物質波）波長很短，因而刻蝕精度更高。遺憾的是，FIB刻蝕技術效率低下，很難在實際中得到應用，但這并不妨礙藝術家用它來開展納米雕刻藝術創作。如圖5所示，“做瑜伽的納米小人”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，立體程度很高，各個小人姿態的相似性極高。
　　離子束-化學氣相沉積技術
　　離子束-化學氣相沉積（FIB-CVD）技術最早是由日本學者松井真二提出的。該技術需要將一根頭發置于芳烴的實驗環境中，并采用3萬電子伏特的聚焦鎵離子束在材料表面進行化學氣相誘導沉積。目前，利用該項技術，科學家們已經制作了多個三維的納米結構（雕塑）。圖5就是這項技術的代表作。
　　雙光束聚合技術
　　近年來，一種被稱作“雙光束聚合”的技術已經發展到三維納米構型加工領域，并被用于材料表面塑像的構建。這里，最為典型的當數韓國研究人員的雕刻作品——“思想者”，見圖6。該塑像高度僅為4個紅血球大小，即只有五萬分之一米高。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。
　　在作品的制造過程中，科研人員使用兩股激光射線照射浸在合成樹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脂才會凝固，形成雕塑件的“部件”，這樣的部件精度為120納米。
　　DNA折疊術
　　2006年，美國加州工學院納米科學家羅斯曼博士創造出了世界上最小的人臉（圖7）：DNA納米笑臉，同時這也是世界上最“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鏈是生命的遺傳物質，鏈的粗細為幾個納米，整個笑臉的直徑只有幾十個納米。
　　該笑臉制作所采用的工藝為“DNA折紙術”，有關研究發表于2006年英國《自然》雜志。為此，羅斯曼博士也被尊稱為“DNA笑臉之父”。
　　納米粒子打印技術
　　圖8所示的“人臉形納米太陽徽章”為IBM公司蘇伊士實驗室的托比亞斯博士所繪制。該徽章采用了一種被稱作“納米粒子打印技術”的手法繪制而成，即通過使用與噴墨打印機類似的原理，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。太陽的形象采用擬人手法，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。
　　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（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，并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為奧運會送來了一份大禮，那就是1.5萬枚奧運會會徽。不要覺得這沒什么了不起的，要知道，這1.5萬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箔表面，只占了1平方厘米的空間，而印制這些會徽所采用的技術就是“微接觸印刷”。
　　這種會徽如此之小，以至于一粒大米上就能放2500個會徽。會徽中的字母和數字——“Beijing 2008”是由大約兩萬個直徑為90納米的點組成的；寫意的人形以及奧林匹克五環由大約4000個直徑為600納米的點構成。
　　STM分子搬動技術
　　掃描探針顯微鏡（STM）是20世紀80年代由IBM兩位科學家發明的一種儀器。STM也被稱作是納米科學家的“手”和“眼”。通過掃描探針顯微鏡，科學家利用該儀器的探針，不僅可以觀察原子、分子，還可以搬動一個個原子、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”，它是科學家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，28個分子組成的“人”，這下你知道什么是真正的“小人”了吧！
　　浸筆印刷術
　　美國西北大學的默金研究小組近來開發了一種被稱作“浸筆印刷術（DPN）”的技術。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