納米科技中的藝術審美①

衡伯軍

摘 要：納米材料的很多種形貌具有藝術性和很強的欣賞價值。該文從激發學生的研究興趣為出發點，從納米結構獨特的意境之美、對稱和象形之美以及與性能的密切聯系等角度，總結了納米結構的藝術性特點，提出了寓教于美，快樂學習，快樂科研的理念。

關鍵詞：納米科技 ?納米藝術 ?意境之美 ?對稱和象形之美

中圖分類號：J0-05 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0227-02

納米材料的形貌結構多種多樣，有些獨特的結構會對人產生意識和心理上的刺激，從而激起潛在的藝術意義和審美情趣，激起學習者對納米技術的研究興趣。興趣是學生學習動力和創造性的源泉，也是快樂學習的初衷。正如著名的材料科學專家盧柯所說：“做科學就是做藝術，是一件很快樂的事情。”教育者可以“寓教于樂”、“寓教于美”，讓學生在對美的感受與欣賞中，融入其中、身臨其境，從而得到心靈的啟迪，智力的開發，進而做到自主學習，自主研究。

現代納米技術的實現方法主要包括“自下而上”法和“自上而下”法?！白韵露稀狈ň褪抢梦⒉僮鳈C械或化學方法，以分子或原子為結構單位，組裝、自組裝成特定結構和性質的物質?！白陨隙隆狈ㄊ怯脗鹘y的光刻、切割、刻蝕、腐蝕等手段來改造物質以構建預期的結構。不論采用哪種方法，只要制備所得的材料在三維空間的任一維度處于納米尺度范圍（1～100nm），我們就稱之為納米材料，與之相關的一系列科學技術，稱之為納米科技。納米藝術是利用藝術的想象力對納米科技的結果進行再創造和圖解。因為納米科技涉及化學，物理，生命，醫學，工程等許多學科，在這些領域里，只要是在納米尺度上利用科學元素進行的藝術創作都可以定義為納米藝術。納米藝術的創作必須依賴于當代最為先進的科學儀器，如掃描和透射電子顯微鏡，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等等。納米藝術的科學元素包括原子點陣，晶體結構，生物分子，DNA，細胞，等等，對于這些實驗結果的表達和展示，不僅具有實際的科學意義，而且賦予了藝術的內涵，這就是納米藝術的本質。納米科技是一門具有藝術性的科學，而納米藝術是納米科技的組成部分，兩者相輔相成，協同發展，使得科學研究的過程，既有探索的艱辛也有美的享受，從而激勵了研究者深入研究的興趣。

1 納米素材的意境之美

在微觀世界里，納米材料能展現出宏觀世界里事物的各種形態，在偶然的情況下，它更給予人們一種別有意味，動人的藝術感受。我們把這種藝術感受稱之為意境。這種藝術氛圍能給予欣賞者心靈上的愉悅，無異于一次微觀世界的探秘，能激發起人心底里對美的渴望，更能激發起研究者無窮盡的探索欲望。如圖1（a）是某學者在研究氧化鋅納米針時的發現“濃云深鎖天子山”。白霧茫茫中，峭立的山峰，展現出一片自然風光之美。圖1（b）中那極具梵高繪畫風格的向日葵，是香港大學的一位教授的作品，稼/氧化硅的復合材料，被形象的稱為用稼給氧化硅施肥。圖1（c）中主要刻畫的是陽光下，光影交錯的叢林景色，是鎳鈦合金經過離子束和納米壓縮后產生的圖像。圖1（d）是用多孔硅模板刻蝕而成的一幅畫，穿過叢林的河流，三維立體構圖，色彩對比鮮明;而圖1（e）是斯坦福大學的Zihong Liu 的作品“湖光和小院”，明暗錯落，濃淡適宜，粗獷的線條勾勒，神似野獸派油畫作品，而院子的籬笆事實上是電極片[1]。

以上種種，是比較著名的一些納米藝術作品展現出的意境之美，欣賞它們，可以讓初學者對微觀世界有美的藝術感受，進而激發起深入了解的欲望?？茖W研究的過程是單調甚至是枯燥乏味的，但這種藝術和美的感受卻可以讓這一過程變得興趣盎然。筆者在研究鋅摻雜氧化亞銅的時候，偶然通過掃描電子顯微鏡（SEM）發現了一些很美的畫面，展示給學生看，引導學生欣賞其濃淡相宜、清晰與朦朧的對比，進而展現出的意境之美。如圖2所示，左圖是放大7萬倍的SEM圖，是一朵氧化鋅納米片層自組裝而成的嬌憨可愛的納米花，周圍烘托著的是像煙霧一樣更小尺寸的絲狀物，為反應中間產物氧化銅納米線。我們把該圖命名為“霧中花”，右圖為放大3萬倍的一朵氧化鋅納米針自組裝的納米花，宛如一朵神秘而高雅的蘭花，命名為“空谷幽蘭”。美妙的圖片，再加上進一步的關于晶體生長機制的講解，令學生印象深刻。羅丹有句名言：“生活中并不缺乏美，缺乏的是善于發現美的眼睛。”顯微鏡、納米技術、X 射線等微觀科學技術不斷的發展極大地拓寬了人們觀看物質世界的方式和內容，同時也為藝術帶來新的發展形式。激發了人們對微觀世界認識的渴望，以及對微觀世界美的追求。

2 納米結構的對稱和象形之美

生活中，人們會發現自己生活在一個充滿對稱的世界里。在微觀世界，原子分子就其本身的形狀也是對稱的。而由原子分子堆砌而成的納米材料，無論從審美的角度還是實用的角度講，其對稱性都顯得非常重要。納米材料的定義，是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍。按照維數，納米材料的基本單元可分為三類：（1）零維納米材料，是指在空間的三維尺度都是納米尺度，如納米顆粒、納米簇、納米點等。零維納米材料是構建組裝高維度納米材料的基本單元。（2）一維納米材料，是指在空間有兩維處于納米尺度，如納米線、納米棒、納米管、納米環、納米帶、納米絲等;它也是構建三維納米材料的單元。（3）二維納米材料，指在三維空間中有一維在納米尺度，如納米片、納米墻、納米板、納米薄膜等。（4）三維納米材料，由一維或二維納米材料自組裝而成的三維立體網絡結構、多分枝多外延結構、中空殼狀結構或核殼結構。從材料的性能出發，要求納米結構相對來說比較對稱和均一，有對稱美觀的結構單元，自組裝而成的結構也應該是各向同性，高度對稱和形貌均一。這樣的材料在各個方向上應變系數一致，力學性能穩定;電導率，磁導率，熱力學和光學系數的變化不大，從而電學、磁學、熱學和光學特性都較穩定，有利于測試和分析。碳材料是納米材料中的佼佼者，在多個領域都得到廣泛的應用，碳富勒烯是繼石墨和金剛石結構后發現的第三種碳分子結構。其中包含60個碳原子的碳60富勒烯的分子物理化學性能最穩定，這歸結于其高度的幾何對稱性和獨特的中空籠狀結構 [2]。endprint

隨著多種納米結構的出現，一些新穎的詞匯也相繼出現，如：納米花、納米啞鈴、納米扇、納米樹、納米箭、納米瓶等等，這些納米結構，是宏觀物體的微觀縮影，呈現出奇特的象形之美，又通過研究者豐富的想象力給以命名，顯得生動有趣。象形的納米結構有植物類象形，如樹、灌木、草、花、蘑菇、椰菜花等[3]。納米樹狀結構，根據反應機理的不同，可分為簇組裝和線組裝。圖3（a）是在低真空下，應用電子束誘導碳氫化合物沉積法得到的美麗的多孔碳納米樹結構。通過電化學沉積/溶解法，還可以在金基底上生長出均勻分布的鈀納米樹，如圖3（b）所示。圖3（c-d）是通過庫倫效應分裂單壁碳納米管頂端，形成徑向分布的分枝，形成納米樹結構。這些獨特的結構，使得材料在作為催化劑或電池電極時，反應能進行充分，性能大大提高。在象形納米結構中，動物狀的形貌也有很多，如蠕蟲狀、刺猬狀、魚鱗狀等[4]，如圖4（a）是利用正三辛基膦和油酸鋅制備而來的ZnO二維納米鱗片。圖4（b）是運用水熱法，通過反應物硝酸鋅、CTAB、和六次甲基四胺在較低溫度下制得的ZnO納米毛毛蟲，蟲體上的納米線增大了材料的比表面積和反應活性。圖4（c）里所展示的是一種金屬氧化物（V2O5）刺猬狀納米結構，它既避免了一維納米線的團聚，又發揮了一維納米線的小尺寸優勢，在反應中活性點更多。圖4（d）是調節反應時間和溫度，利用油酸銅和油酸銦在十二烷基硫醇中反應所得的銅銦硫化物異質納米晶結構，通過透射電子顯微鏡（TEM），相像于某種幼蟲結構，非常有趣。

3 納米結構與性能的緊密聯系

在材料科學中，強調材料的結構和功能的緊密聯系。材料的結構之美，不光表現在其獨特的藝術性，能激發起人的興趣和美感，還表現在其強大的實用性，有獨特的力、熱、光、電、磁、和生物等特性，能廣泛應用于催化、生物傳感器、超級電容器、儲能、電池等領域。納米技術是促進材料的結構和功能性緊密結合的紐帶。比較不同的形貌結構納米活性物質的性能，是設計功能性材料的關鍵。如圖5，是筆者制備出的兩種不同的氧化銅納米結構，氧化銅納米棒和氧化銅納米花[5]。用這兩種形貌的材料分別制備出超級電容器電極，通過分析比較，發現納米花電極在高倍率電流放電時有更高的比電容，而納米棒在低倍率電流充放電時比電容較高。從高倍率電流充放電的循環穩定性看，納米棒的穩定性要高于納米花。這些結論說明，納米材料的結構形貌決定了電極的孔徑分布、活性物質表面與導電碳材料、集流體之間的緊密接觸度、活性物質表面與電解質之間的接觸和法拉第反應的快慢、以及充放電過程中，電極活性材料自身抵抗形貌損壞的張力系數等等。探索納米材料結構形貌的多變性，研究結構形貌與功能之間的聯系，都是材料專業學生需要學習和研究的內容。

4 結語

每一個獨特的納米結構的發現都有著巨大的意義，因為它預示著一些不可知的獨特功能;而沒有對結構形成機理的深刻理解，是不可能制備出新穎獨特的納米相貌的。欣賞納米花、納米樹是賞心悅目的事，但要在實驗室里“培育”出一朵納米花卻非易事。實驗過程要求嚴格控制實驗條件參數，一旦條件不適宜，做出的樣品必是亂糟糟一團，毫無美感可言。再者，不同的結構，是多種化學和物理作用的結果，要制備出獨特結構的納米材料，如何選擇合適的反應條件和反應方法，需要一個系統性的理論學習和長期的操作實踐過程。因此，不管是科學還是藝術，都要求研究者付出努力，科學發現的艱辛能激發成就感，納米科技的藝術審美能激發起人們更多的想象力和創造力。只有樂于學習，樂于動腦，樂于動手的人，才能收獲更多。作為教育者，要善于引導學生發現科學創新的著眼點和基本思路，從欣賞，到產生興趣，到激勵學生投身到納米科學的研究中去。

參考文獻

[1] 沈海軍.納米藝術-與高科技完美結合的藝術[J].邊緣學科新探索，2009（3）.

[2] 沈海軍.對稱之美-富勒烯藝術[J].科技視野，2009（10）：25.

[3] Oxana V.Kharissova etc.，Less-Common Nanostructures in the Forms of Vegetation，Ind. Eng. Chem.Res.2010（49）：11142-11169.

[4] Boris I.Kharisov etc.，Nanostructures with Animal-like Shapes，Ind.Eng.Chem.Res. 2010（49）：8289-8309.

[5] Bojun Heng etc.，Rapid synthesis of CuO nanoribbons and nanoflowers from the same reaction system， and a comparison of their supercapacitor performance，RSC Advances，2013（3）：15719-15726.endprint