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纳米艺术：与高科技完美结合的艺术（原创论文）精选

已有 13089 次阅读 2009-2-23 09:36 |个人分类:纳米科技|系统分类:科研笔记

沈海军文

纳米也称作毫微米,是一种长度单位,指的是10亿分之一米，相当于10倍氢原子的长度。纳米科技是研究1-100纳米尺度内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学与技术，其研究对象为1-100nm尺度的物质或结构[1]。1990年首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科技的诞生。经过十余年飞速的发展，纳米科技已派生了纳米材料学、纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米计量学、纳米机械学、纳米生物学、纳米力学等主流的学科分支，以及纳米伦理学等非主流分支。

值得注意的是，近年来，一门与纳米科技紧密结合的学科—纳米艺术学，也悄然兴起，并逐渐吸引了艺术界与科学界的共同关注[2]。目前，媒体上关于纳米艺术的话题不断增多[3,4]；在Google上以“纳米艺术”或“Nanoart”为关键词进行搜寻，会得到73万条海量的信息；国际纳米艺术作品展也由一个自称为“Nanoart21”的组织主办，连续举行了4届[5]。图1、图2分别显示了两张优秀的纳米绘画作品，它们均为电子显微镜图片[3]。第一张为“金色森林”，是德国普朗克冶金研究所克拉克博士用聚焦离子光束技术在镍钛合金板表面制成的，其分辨率为几十纳米；第二幅“金色向日葵”是香港中文大学物理学教授郝少康通过自组装技术用二氧化硅纳米丝“绘制”的，画中每根二氧化硅纳米丝的直仅有十几纳米。这些纳米艺术作品都是肉眼、甚至高分别率光学显微镜都无法分辨的，它们从制作（制备）工艺、制作（制备）过程，到图像获取等都依赖于化学自组装、高能粒子束或电子显微镜等高科技手段，而最终得到的作品却同样给人以美的享受，体现了高科技与艺术的完美结合。

1、纳米艺术及其内涵

1.1纳米科技与艺术

纳米科技是指在纳米尺度上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学技术。当物质小到纳米尺度时，其量子效应、物质的局域性、巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。

艺术，是人们为了更好地满足自己对主观缺憾的慰籍需求和情感器官的行为需求而创造出的一种文化现象。艺术，是人们在日常生活中进行娱乐游戏的一种特殊方式，又是人们进行情感交流的一种重要手段，属于娱乐游戏文化的范畴。艺术文化的本质特点，就是用图像、语言创造出虚拟的现实生活。在娱乐功能的层面上，艺术与普通的娱乐游戏具有同等重要的存在价值和发展价值，但艺术与普通的游戏在文化形态上却存在着本质上的差异。一切创造美的活动，均为艺术。最优美的艺术形式有绘画，音乐，舞蹈，电影等[6]。

1.2 纳米艺术的内涵

科技往往侧重于理性，而艺术更侧重于感性。对于近年来出现的纳米艺术，目前尚没有公认的定义。这里，我们将纳米艺术定义为“使用纳米科技手段或方法创作的纳米尺度的艺术”。作为一件纳米艺术作品，它应具备以下几个特征：

1）纳米艺术作品所反映的事物尺度很小，为纳米量级。这里值得一提的是，有些所谓的“纳米画”或“纳米雕塑”，尽管整体尺度为微米量级，但局部细节的分辨率为纳米尺寸，这样的作品也应该归结为纳米艺术的范畴。

2）纳米艺术作品的制作或表象过程中真正应用到了纳米技术。这里，纳米作品的制作技术主要包括分子/原子自组装技术、化学/物理气相沉积法、激光束/离子束/电子束加工技术、扫描探针显微镜技术、计算机辅助分子模拟技术等，这些技术都有可能创作出优秀的纳米画或纳米雕塑。另外，纳米画或纳米雕塑等作品要以图像等形式呈现给人们，则又往往要依赖于电子显微镜、扫描探针显微镜等纳米成像技术。显然，用添加了纳米颗粒的所谓“纳米颜料”，或者在纳米制品上绘制的艺术作品不属于纳米艺术的范畴，尽管它可能属于艺术品。

3）纳米艺术作品要给人以“美”的感受。即纳米作品要符合传统艺术品“美”的评判标准。事实上，大多数的电子显微镜金相照片、微观科普照片并不美，不属于纳米艺术作品。

1.3纳米艺术有什么用？

笔者在给大学生讲述《纳米科技》课程时，一谈到纳米艺术，常常就会有一些同学问“纳米艺术到底有什么用？”

这个“产品”有什么用？是中国人经常问的一个问题！实验室和工厂的“产品”将直接或间接影响到我们的日常生活，给生活带来便利。这或许就是它们的“用处”。艺术“产品”带来的是一种心灵体验。对于艺术产品，我们经常会问，这东西美不美？而不会有人问自由女神像或凯旋门“有什么用”。对于纳米艺术，抛开作画手段，只要这纳米画看着舒服，目的就达到了！这就是它的“用处”。事实上，绝大多数很“有用”的纳米材料电镜图看起来可是一点都不漂亮的，当然也称不上艺术品[4]。

因此，纳米艺术“有没有用”是要看如何“用”，如果仅是为了“有用” 那我们的生活也许就会失去很多色彩，失去了对美的追求。

2.纳米艺术的科技手段与表现形式

2.1 纳米艺术的创作手段

1）分子/原子自组装技术。所谓自组装，是指分子、原子等基本结构单元在非共价键的相互作用下自发形成有序结构的一种技术[7]。图3为科学家用DNA自组装形成的六面体“魔方”[8]。分子/原子自组装技术是制备特定功能纳米结构的一种重要手段，同时也为形成具有艺术欣赏价值的图案或图形提供了可能。

2）化学/物理气相沉积法。化学/物理气相沉积法是指将一种或几种气态原材料导入到一个密闭室内，然后让它们之间发生化学反应后，或不反应，而直接冷却沉积到基体表面上，最终形成一种新纳米材料/纳米结构的方法。由于沉积过程中，气态分子和基体不同分子之间的相互作用各异，具有一定的选择性，因此，往往可以形成一些有规则的图案或图形。图4为科学家用物理气相沉积法在晶体硅表面形成的硅“雾霜”[9]。

3）激光束/离子束/电子束加工技术。激光束/离子束/电子束加工技术是指利用高能激光束、离子束或电子束加工出特定纳米结构的一种技术，这种技术可用来制作纳米雕塑。图5为日本学者用激光雕刻的三维的“纳米牛”[10]。纳米牛的选材为树脂，尺寸只有一个红细胞大小。当然，该作品的制作过程中还使用了电子显微镜。

4）扫描探针显微镜技术。扫描探针显微镜技术是利用显微镜探针与物体表面之间的相互作用而对物体表面进行成像或微结构加工/操纵的一类技术。利用扫描探针显微镜，现在人们不仅可以观察到物体表面的原子、分子，而且可以搬动一个个原子、分子，并拼成各种各样的图形。图6为IBM公司的Eigler博士用扫描探针显微镜搬动35个氙原子绘制的“IBM”字样[11]。如果这种原子搬动技术被巧妙使用的话，就完全可以绘制成美妙的原子艺术画。

5）计算机辅助分子模拟技术。随着量子化学、分子力学、分子动力学等理论的日益成熟，以及计算机技术的发展，在虚拟环境下构建、设计和模拟分子器件、分子机器已成为现实。图7为笔者使用纳米器件设计软件NanoExplorer开发的可以发射C₆₀球状分子“子弹”的“纳米枪”[12]。该纳米枪的枪管由两段纳米碳管组成，枪栓为一对DNA双螺旋分子，子弹的发射由两束交替脉冲的激光束来提供动能。

2.2 纳米艺术的展现技术

要将纳米尺度的艺术作品展现给人们，就必须使用电子显微镜、扫描探针显微镜、计算机辅助分子模拟等成像技术。这些技术可将纳观的艺术作品放大，以图像或影像的形式呈现。

1）电子显微镜技术。电子显微镜的原理同光学显微镜相同。光学显微镜通常是利用电灯作为光源。电灯发出的光波被聚光器汇聚到透明物体上，然后经过物镜等一系列透镜形成放大的图像。而电子显微镜是用电子束而非可见光来成像的。由于电子的波长较光波的波长小几百倍，因此电子显微镜的分辨率大大提高[1]，这为纳米画、纳米雕塑的成像提供了重要手段。电子显微镜可分为扫描电子显微镜和透射电子显微镜两种，其中，透射电子显微镜所成的像更具有三维立体效果。

2）扫描探针显微镜。扫描探针显微镜实际上指的是一大类设备，具体包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力探针显微镜、摩擦力探针显微镜等。其中，扫描隧道显微镜、原子力显微镜等不但可以对纳米尺寸的结构进行成像，同时还可以搬动原子、分子，因此也是创作、呈现纳米画、纳米雕塑图像的重要手段之一。和电子显微镜相比，扫描探针显微镜分辨率更高，但设备更昂贵，操作难度较大。

3）分子模拟技术。随着量子化学、分子动力学及计算材料学的发展，现在，市场上已经出现了大量的商用分子模拟软件[13]，具体包括量子化学软件Hyperchem，Gaussian，分子动力学软件Materials explorers，纳米器件设计软件NanoExplorer、NanoEngineer[14]等等。这些软件已被众多的化学家、材料学家、纳米科技工作者广泛使用。这些软件一般都具有良好的图形用户界面。通过这些图形用户界面，用户可在虚拟环境中“搬动”原子或分子，观察原子、分子之间的相互作用，进行“雕塑”或“绘制”，并将这些“雕塑”、“绘画”形象地向观众展示。图8为NanoEngineer软件中构造的分子传动齿轮模型[15]。

2.3纳米艺术的表现形式

1）纳米绘画与纳米雕塑。目前的纳米艺术作品的主要表现形式为纳米绘画与纳米雕塑，这要归功于近年来发展的分子/原子自组装、化学/物理气相沉积法、激光束/离子束/电子束加工、扫描探针显微镜、计算机辅助分子模拟等纳米技术。这些技术使得人们在纳米尺度上加工物体表面、移动纳米颗粒（甚至分子、原子）、纳米刻划，构建分子模型，进而加工成纳米绘画、纳米雕塑成为可能。与此同时，电子显微镜、扫描探针显微镜、分子模拟等技术为纳米绘画与纳米雕塑成像提供了手段，那些原本用肉眼，甚至光学显微镜都无法辨别的纳米艺术品得以直观地展现给广大观众。

2）纳米视频艺术。尽管目前绝大多数的纳米艺术作品为纳米绘画或纳米雕塑，但在不久的未来，并不排除出现动画等视频的纳米艺术形式。现在，计算化学家和计算材料学家已经可以自如地借助量子化学软件、分子动力学软件在电脑上动态显示原子、分子之间的相互作用[16]。而借助电脑，一些预言纳米医用机器人的相关视频动画已经出现[17]。显然，如果视频中的事物能够被赋予思想，进行拟人化，就能够发展出类似于卡通电影的艺术形式。现在，在电脑上构建一些纳米、分子“小人”，并让它们为我们舞蹈，已不是什么难事。另外，利用运动学、动力学模拟物质（分子）的扩散，常常也会得到具有视觉艺术效果的演化过程[18]。

3）纳米音频艺术。现在，通过原子力显微镜，科学家已经可以监听显微镜探针针尖原子与物体表面原子之间化学键形成与断裂的声响[19]，且发现不同化学键形成与断裂所发出的声音各不相同。试想，如果物体表面的原子排列的巧妙，那么原子力显微镜针尖和物体表面不同原子之间不断接触（化学键不断形成和断裂），那么，完全有可能像弹电子琴一样演奏出美妙的歌曲。

3. 纳米艺术家应具备的素养

艺术家是专门从事艺术生产的创造者。艺术家应当具备艺术的天赋和艺术的才能，掌握专门的艺术技能和技巧，具有丰富的情感和艺术的修养，通过自己的创造性劳动来满足人们特殊的精神需要即审美需要。作为一种特殊的精神生产，艺术生产既不同于其它形式的精神生产，更不同于人类的物质生产，具有自己独具的规律和特征。首先，艺术家应当具有特别敏锐的观察、体验与感觉生活的能力，并且将自己强烈的情感和逼真的想象力融汇入艺术作品中，才能创作出有血有肉、生动感人的艺术形象。其次，艺术家应具有卓越的创造能力和鲜明的创作个性，具有强烈的创新意识。这就意味着艺术家必须不断地超越前人，超越同时代人，以及不断地超越自己。再次，艺术家必须具有专门的艺术技能，熟悉并掌握某一具体艺术种类的艺术语言和专业技巧。最后，艺术家还应具有艺术表现的技巧和艺术传达的能力[20]。

以上是传统艺术家应具备的基本素养。对于纳米艺术家来讲，除了上述的素养外，还必须具备以下科学素质。

1）要掌握用于创作纳米艺术的相关纳米技术与设备。对于纳米艺术家来说，原子力显微镜、电子显微镜、激光束/离子束/电子束加工设备等就如同画家手中的画笔、雕刻家手中的刻刀，只有熟练地使用这些设备，掌握操作过程的各种技巧，才能有可能为我所用，“妙笔生花”，最终创作出优秀的纳米艺术品来。

2）具备纳米材料相关的化学、物理学、材料学知识。在纳米尺度，物质之间的相互作用已和宏观物体截然不同，粘性力、范德华尔力、表面张力等在宏观物体中通常可以忽略的作用力变得非常突出。与此同时，由于纳米物体表面体积比很大，也会出现不同于宏观物体的表面效应[1]。纳米艺术的操作对象往往是纳米颗粒、纳米结构、甚至分子、原子，因此，只有熟练地掌握这些对象的各种化学、物理、材料特性，才能得心应手地搬动它们，进而“绘制”、“堆积”出纳米艺术作品来。

3）具有纳米科技相关的工作经验和知识积累。纳米科技是一个诸多学科高度综合、相互交叉的领域。要从事纳米科技研究，本就需要多学科工作经验和知识的长期积累，只有积累了足够的经验和知识，才能预见自己的工作将可能取得什么样的结果力，才能熟练使用相关纳米技术或设备，进而开展纳米艺术作品的创作。

4）具有相关专业软件使用与计算图形/图像处理的能力。这里所说能力主要包括两个方面。其一，指熟练掌握Hyperchem、NanoExplorer、NanoEngineer等分子模拟软件，因为，借助这些分子模拟软件，纳米艺术家本身就可以在计算机虚拟环境中直接搭建分子、纳米模型，进行纳米艺术“创作”。其二，指熟练掌握Photoshop等电子显微镜、扫描探针显微镜图像后处理软件，通过这些软件对纳观照片进行渲染、着色，常常会使得纳米艺术品更具有艺术效果。当然，一些纳米艺术家也可以凭空臆想，采用通用的三维动画设计软件，如3D MAX等，开展技术含量相对较低的纳米艺术创作。

可见，纳米艺术家也应该是具备一定科学素养的纳米科技工作者。

4.结束语

100年前，电视、计算机尚未发明，人们很难想象会有MTV、3D动画、Flash歌曲创作等艺术创作方式，而今天，对这些艺术形式人们却早已司空见惯。

纳米科技为艺术创作提供了新的手段、新的视野，但昂贵的纳米设备及高深的纳米技术却足以使得众多欲从事纳米艺术的人望而生畏。尽管如此，随着经济、技术的快速发展，以及纳米科技知识的不断传播，相信总会有一天，昂贵的设备会变得廉价，操作技术会变得简单，相关纳米科技知识会变得普及，那时，必然会有大批既懂纳米技术又懂艺术的优秀纳米艺术家出现。

参考文献

[1] 沈海军纳米科技概论国防工业出版社.2007

[2] 吴全德 .科学与艺术的交融-纳米科技与人类文明. 北京大学出版社2001.

[3] 煎蛋. 纳米艺术画十一幅. 网址：http://jandan.net/2008/04/27/nano-art.html.

[4] 沈海军.科学网-纳米艺术，行为艺术，抽象画，有什么用？

网址：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=25173.

[5] http://www.nanoart21.org/.

[6] 李胜利.艺术概论.中国传媒大学出版社.2001.

[7] 沈海军,史友进. 纳米电子器件与纳米电子技术. 微纳电子技术.2004 41(6) : 14-19.

[8] http://www.nanoclub.ir/contents/nanomedical01/02.jpg

[9] http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=42744

[10] 日本造出“纳米牛” http://www.ntem.com.cn/