納米碳管藝術(shù)

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(qiáng)度和鋼材相當(dāng)，密度只是鋼的1／6；它可以用來存儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫效率比現(xiàn)有的儲(chǔ)氫材料高出一倍；納米碳管中空'的結(jié)構(gòu)可被利用開發(fā)藥物輸運(yùn)載體；奇特的電學(xué)特性可以被用來制作未來分子計(jì)算機(jī)中的晶體管，等等。

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

納米藝術(shù)是近幾年才出現(xiàn)的新生事物，是隨著納米科技的飛速發(fā)展而產(chǎn)生的納米學(xué)科分支。作為納米科技的“明星”，納米碳管當(dāng)然不能被排除在外，它是納米藝術(shù)中的主角。

現(xiàn)在，科學(xué)家或者納米藝術(shù)家已經(jīng)可以用納米碳管做平面繪畫、三維造型、納米碳管揚(yáng)聲器、納米收音機(jī)、納米琴弦、SPM(掃描探針顯微鏡)繪畫的“畫筆”等。另外，科學(xué)家們做納米碳管理論研究時(shí)也常常發(fā)現(xiàn)，納米碳管的分子構(gòu)型、周圍的電磁場等通常也都具有一定的藝術(shù)欣賞性。

納米碳管平面繪畫藝術(shù)

說起納米碳管平面繪畫藝術(shù)，最值得一提的要算前一陣在媒體上被炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)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(xué)機(jī)械工程系教授約翰·哈特制造的。如圖1所示，每個(gè)納米奧巴馬頭像包含著1.5億個(gè)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(gè)納米碳管都是中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)，直徑僅為人類頭發(fā)的五萬分之一。據(jù)稱，為了創(chuàng)建“納米奧巴馬”頭像，哈特教授模仿了畫家謝潑德·費(fèi)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(dāng)紫外線穿過這個(gè)玻璃板模具時(shí)，會(huì)在一張硅薄片上形成相應(yīng)的投影頭像；接著，他在這個(gè)頭像圖形的基礎(chǔ)上生成納米碳管，在制造納米碳管時(shí)采用了高溫催化化學(xué)反應(yīng)；最后，使用電子顯微鏡對(duì)納米奧巴馬頭像進(jìn)行拍照，得到了頭像僅有0.5毫米大小的納米藝術(shù)作品。

事實(shí)上，像這樣用納米碳管進(jìn)行平面繪畫，對(duì)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(gè)Playboy的納米碳管小兔子畫像而名聲大噪。如圖2所示，當(dāng)時(shí)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(shù)已經(jīng)比較成熟。

納米碳管三維造型藝術(shù)

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(shù)，那么，美國倫斯勒工業(yè)大學(xué)一位教授運(yùn)用納米管立體結(jié)構(gòu)“繪制”的“雛菊”，則應(yīng)屬于納米碳管的三維造型藝術(shù)范疇。如圖3所示，畫面上顯現(xiàn)的一朵朵三維“雛菊”均由成千上萬個(gè)排列方向不同的納米碳管束構(gòu)成，雛菊的直徑約80微米。該成果展現(xiàn)的是這位教授不久前開發(fā)的一種新方法：用納米碳管作骨架按設(shè)計(jì)要求制作立體結(jié)構(gòu)。

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

納米管音頻藝術(shù)

2009年1月，美國《連線》雜志評(píng)選出2008年十大科學(xué)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(xué)科學(xué)家使用納米碳管制作的揚(yáng)聲器。這個(gè)揚(yáng)聲器實(shí)際上是一種納米碳管薄膜，其發(fā)聲機(jī)制和普通揚(yáng)聲器完全不同，普通揚(yáng)聲器的發(fā)聲機(jī)制為機(jī)械振動(dòng)，納米碳管膜的發(fā)聲機(jī)制為熱致發(fā)聲，即通過電流加熱“使之”振動(dòng)并發(fā)出聲音。這種納米碳管揚(yáng)聲器的聲音雖然有點(diǎn)刺耳，但仍能依稀聽出播放的是什么歌曲。

另外一個(gè)利用納米碳管發(fā)聲的設(shè)備為納米碳管收音機(jī)。它是美國加州大學(xué)物理學(xué)家澤托教授2007年的杰作。

2006年，美國科學(xué)家辛格制成了納尺度的“納米小刀”，這把納米小刀被認(rèn)為將來可能用于細(xì)胞手術(shù)。事實(shí)上，納米碳管小刀也相當(dāng)于一把單弦琴，若利用激光脈沖或SPM探針撥動(dòng)琴弦，如圖5所示，使得納米碳管振動(dòng)起來，該單弦琴也同樣會(huì)發(fā)出特定頻率的聲音來。

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

納米管在“SPM繪畫”中的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代，掃描探針顯微鏡(SPM)的發(fā)明使人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)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(chǎn)生一個(gè)高度局域化的力場、電場等。該場會(huì)在針尖所對(duì)應(yīng)的樣品表面微小區(qū)域產(chǎn)生力的作用、相變、化學(xué)反應(yīng)等，這正是利用SPM進(jìn)行納米加工、操縱粒子和繪畫的客觀依據(jù)。

圖7為科學(xué)家使用SPM搬動(dòng)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(gè)納米。要像圖7那樣使用SPM搬動(dòng)原子、分子進(jìn)行繪畫，SPM探針針尖的曲率半徑必須要足夠小，最好達(dá)到幾十納米(1納米=10^-9米，相當(dāng)于1米的10億分之一)。然而，目前大多數(shù)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(gè)磨盤粗細(xì)的“大柱子”去撥動(dòng)一粒芝麻一樣，顯然是力不從心的。為此，科學(xué)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(xì)，一般只有幾十納米，這樣，SPM搬動(dòng)原子／分子進(jìn)行作畫、并對(duì)最終的原子／分子畫進(jìn)行觀察就變得容易了。原子、分子繪畫也終于有了強(qiáng)有力的工具。

納米管理論研究過程中的藝術(shù)

為了研究納米碳管的力學(xué)、電磁學(xué)等物理化學(xué)特性，科學(xué)家經(jīng)常采用各種計(jì)算機(jī)軟件對(duì)納米碳管進(jìn)行電磁場、力場等理論模擬。如果留意的話，科學(xué)家會(huì)發(fā)現(xiàn)，模擬的結(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)，因此，在設(shè)計(jì)未來的分子機(jī)器中，經(jīng)常被認(rèn)為是優(yōu)先考慮的“部件”?，F(xiàn)在，美國的一些納米軟件公司已經(jīng)開發(fā)了專門的納米工程設(shè)計(jì)軟件，用來設(shè)計(jì)分子機(jī)器。目前，使用這款軟件，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多具有特定功能的分子機(jī)器。如果從審美的角度來看，這些機(jī)器個(gè)個(gè)都堪稱微觀世界的藝術(shù)珍品。在這些納米工程設(shè)計(jì)軟件中，納米碳管模型的生成都被無一例外地作為一個(gè)重要的模塊；納米碳管已成為計(jì)算機(jī)輔助分子機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要單元。圖9為納米工程設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的分子傳動(dòng)齒輪實(shí)例。在該分子機(jī)械中，兩個(gè)納米管分別被用作主動(dòng)和從動(dòng)齒輪的中軸。

事實(shí)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(jì)算機(jī)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(zé)任編輯趙菲