微纳米世界中的小人物
小，还要更小
20世纪末至本世纪初，纳米技术的发展给传统艺术带来了巨大冲击。其中，一个重要的特征就是艺术作品的小型化与微型化。这一特征在微纳米人物艺术创作方面尤为突出。以人物雕塑为例，陕西乾陵武则天无字碑前的参拜石像，高度和普通人相当；清朝张潮的《核舟记》中记载的桃核小船长不盈寸；英国当代微雕大师威拉德借助显微镜，在大头针上仿照法国艺术大师罗丹的著名雕塑“思想者”，成功雕刻出人物身高约1毫米的微缩版“思想者”；2007年，两位意大利纳米艺术家采用“光刻”技术制作了硅自由女神像雕塑，这位自由女神像的身高仅为0.5毫米；比上述自由女神像还小的“纳米”雕塑(图1)来自美国伯明翰大学纳米研究实验室，这是一个真正意义上的“纳米人”(1纳米＝10-9米＝10-6毫米＝10-3微米)，身高只有0.0004毫米，即400纳米左右，和病毒的尺寸相当；但伯明翰大学的“纳米人”还不是最小的，目前世界上最小的雕像来自美国IBM公司的科学家(图2)。它是一个“分子人”，塑像共由28个一氧化碳分子组成。两相比较，陕西乾陵的参拜石像高度足足为“分子人”身高的3000万倍。
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对于一般人来说，微纳观世界是极其细微的。但在显微镜下，微纳观世界却为纳米艺术家提供了极大的艺术创作舞台。借助显微镜和先进的微纳技术，一些科学艺术家已经可以在微观世界里进行创作，充分彰显了微纳科技与艺术的高度结合。
微纳米人物艺术的种类
微纳米人物艺术是近些年来才出现的一种微型艺术形式。基于不同的视角，微纳米人物艺术有不同的分类。从表现形式来讲，微纳米人物作品可分为人物塑像、人物绘画、人物雕刻等。图3是当代华人微雕艺术家金银华的作品——“一根头发丝上彩绘的40位美国总统”；图4显示的则是德国卡尔蔡司纳米技术公司的科学家采用所谓的“聚焦离子束”刻蚀工艺，在硅表面雕刻的具有立体感的美国前总统林肯像。
从制作工艺上来看，微纳米人物艺术作品可分为基于传统手工的作品和基于微纳技术的作品。基于传统手工的作品如图3所示，其创作过程和我们在正常环境中进行创作的过程相似，靠手工完成，只是在创作或欣赏过程中需要借助于高倍显微镜，同时，对雕刻及绘画的工具也有很高要求。基于微纳技术的作品如图4所示，还有图5所示的日本学者千秋南和松井真二采用聚焦离子束-化学气相沉积技术(FIB-CVD)在半导体表面上构造的“做瑜伽的纳米小人”。基于微纳技术的作品创作通常需要使用能够产生高能量聚焦离子束或光束的设备，有时甚至还要求苛刻的实验环境。
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从微纳米人物艺术的创作机理来看，又可分为基于物理方法和基于化学方法的作品。一般来说，物理法仅涉及材料的舍弃、搬移或水彩的黏附。化学方法则往往要涉及到材料表面成分的变化或新物质的产生。
从作品的尺度来讲，微纳米人物艺术作品可分为百微米量级、微纳米量级以及纳米级三大类。一般来说，传统手工创作的人物微雕或微画大都属于百微米量级的，图3“发丝上的美国总统”，其特征尺寸都在几百微米附近。基于微纳技术的雕刻或塑像，则大多属于微纳米量级，如图5所示，这些做瑜伽的小人，仅高2微米左右，但小人的胳膊及腿的粗细为数百个纳米。百微米量级的作品在高倍光学显微镜下可以看得很清楚；但要欣赏微纳米量级的作品，通常需要分辨率更高的电子显微镜。值得一提的是，近年来，有机化学中人形分子的发现将人物艺术带入了分子尺度。一个高几十余纳米的分子就是一个人物形象，还真是神奇。
微纳米人物艺术的创作技术
传统的手工创作工艺
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上面讲到的金银华，是当代微纳米艺术的杰出代表。他的作品通常要借助光学显微镜来完成。以图3为例，为了在发丝表面完成作品，金银华专门用老鼠的胡须和鸡毛杆制作了“鼠须笔”，同时又将普通国画的颜料精研磨成极其细微的微型画颜料；接着，在数百倍的光学显微镜下在发丝表面涂抹，并绘制出一个个鲜活的美国总统形象。可见，传统的手工微雕和微画创作，不仅要求艺术家具有娴熟的技艺，同时也在考验艺术家的耐心和毅力。
离子束(FIB)刻蚀技术
FIB刻蚀技术采用电磁场加速和聚焦带电离子，进而对硅等材质的表面进行刻蚀，如图4所示。FIB刻蚀原理与目前市场上流行的光刻技术相似，但由于离子的德布罗意(物质波)波长很短，因而刻蚀精度更高。遗憾的是，FIB刻蚀技术效率低下，很难在实际中得到应用，但这并不妨碍艺术家用它来开展纳米雕刻艺术创作。如图5所示，“做瑜伽的纳米小人”在2004年国际电子束/离子束/光束技术与纳米加工微观大赛中荣获了一等奖。作品中，每个小人身高2微米左右，立体程度很高，各个小人姿态的相似性极高。
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离子束-化学气相沉积技术
离子束-化学气相沉积(FIB-CVD)技术最早是由日本学者松井真二提出的。该技术需要将一根头发置于芳烃的实验环境中，并采用3万电子伏特的聚焦镓离子束在材料表面进行化学气相诱导沉积。目前，利用该项技术，科学家们已经制作了多个三维的纳米结构(雕塑)。图5就是这项技术的代表作。
双光束聚合技术
近年来，一种被称作“双光束聚合”的技术已经发展到三维纳米构型加工领域，并被用于材料表面塑像的构建。这里，最为典型的当数韩国研究人员的雕刻作品——“思想者”，见图6。该塑像高度仅为4个红血球大小，即只有五万分之一米高。然而，这个即便只能用显微镜才能看清楚的思想者，其肌肉、甚至脚趾仍清晰可见。
在作品的制造过程中，科研人员使用两股激光射线照射浸在合成树脂溶液中的材料表面，溶液中只有被两股激光射线交叉照射到的那部分树脂才会凝固，形成雕塑件的“部件”，这样的部件精度为120纳米。
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DNA折叠术
2006年，美国加州工学院纳米科学家罗斯曼博士创造出了世界上最小的人脸(图7)：DNA纳米笑脸，同时这也是世界上最“有分量”的笑脸图案。该图案由若干条平行的DNA链折叠组成，相邻的DNA之间在端部串接。DNA链是生命的遗传物质，链的粗细为几个纳米，整个笑脸的直径只有几十个纳米。
该笑脸制作所采用的工艺为“DNA折纸术”，有关研究发表于2006年英国《自然》杂志。为此，罗斯曼博士也被尊称为“DNA笑脸之父”。
纳米粒子打印技术
图8所示的“人脸形纳米太阳徽章”为IBM公司苏伊士实验室的托比亚斯博士所绘制。该徽章采用了一种被称作“纳米粒子打印技术”的手法绘制而成，即通过使用与喷墨打印机类似的原理，让纳米颗粒在材料表面有序堆积。整个图形由大约两万个60纳米的金纳米颗粒拼成。太阳的形象采用拟人手法，整个徽章的直径为几十微米，人的眼睛、鼻子及嘴巴均为十几微米，纵向厚度为几百纳米。
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微接触印刷技术
先通过光学或电子束光刻得到进行微接触印刷所要求的压模。压模常用材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)。接着，将PDMS压模浸入含有硫醇的墨溶液中。然后将浸过墨的压模压到镀金的衬底上。最后，采用湿法刻蚀(一种在溶液中进行的刻蚀方法)，或通过金膜上的单层硫醇分子来自动链接某些有机分子，并在衬底上得到所需的纳米图案。
2008年，奥运会在北京隆重召开。此时，美国西北大学的纳米科学家为奥运会送来了一份大礼，那就是1.5万枚奥运会会徽。不要觉得这没什么了不起的，要知道，这1.5万枚奥运会会徽个个尺寸都仅有几十微米左右，所有会徽被印在一块金箔表面，只占了1平方厘米的空间，而印制这些会徽所采用的技术就是“微接触印刷”。
这种会徽如此之小，以至于一粒大米上就能放2500个会徽。会徽中的字母和数字——“Beijing 2008”是由大约两万个直径为90纳米的点组成的；写意的人形以及奥林匹克五环由大约4000个直径为600纳米的点构成。
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STM分子搬动技术
扫描探针显微镜(STM)是20世纪80年代由IBM两位科学家发明的一种仪器。STM也被称作是纳米科学家的“手”和“眼”。通过扫描探针显微镜，科学家利用该仪器的探针，不仅可以观察原子、分子，还可以搬动一个个原子、分子，亲手绘制出想要的原子或分子图案。如图2“一氧化碳分子人”，它是科学家通过扫描探针显微镜操纵一氧化碳分子在金表面上拼成的小人，28个分子组成的“人”，这下你知道什么是真正的“小人”了吧!
浸笔印刷术
美国西北大学的默金研究小组近来开发了一种被称作“浸笔印刷术(DPN)”的技术。该技术用原子力显微镜(在STM基础上发展的一种设备)的针尖作“笔”,固态基底作“纸”, 能与基底产生化学反应的分子作“墨水”，分子通过凝结在针尖与基底间的水滴的毛细现象直接“书写”到基底表面。最近，默金采用DNP给自己创作了一幅写真自画像。该画像的尺寸仅有约200×200平方微米，画像中的线条宽度仅为100纳米。
【责任编辑】赵菲, 百拇医药(沈海军)
20世纪末至本世纪初，纳米技术的发展给传统艺术带来了巨大冲击。其中，一个重要的特征就是艺术作品的小型化与微型化。这一特征在微纳米人物艺术创作方面尤为突出。以人物雕塑为例，陕西乾陵武则天无字碑前的参拜石像，高度和普通人相当；清朝张潮的《核舟记》中记载的桃核小船长不盈寸；英国当代微雕大师威拉德借助显微镜，在大头针上仿照法国艺术大师罗丹的著名雕塑“思想者”，成功雕刻出人物身高约1毫米的微缩版“思想者”；2007年，两位意大利纳米艺术家采用“光刻”技术制作了硅自由女神像雕塑，这位自由女神像的身高仅为0.5毫米；比上述自由女神像还小的“纳米”雕塑(图1)来自美国伯明翰大学纳米研究实验室，这是一个真正意义上的“纳米人”(1纳米＝10-9米＝10-6毫米＝10-3微米)，身高只有0.0004毫米，即400纳米左右，和病毒的尺寸相当；但伯明翰大学的“纳米人”还不是最小的，目前世界上最小的雕像来自美国IBM公司的科学家(图2)。它是一个“分子人”，塑像共由28个一氧化碳分子组成。两相比较，陕西乾陵的参拜石像高度足足为“分子人”身高的3000万倍。
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对于一般人来说，微纳观世界是极其细微的。但在显微镜下，微纳观世界却为纳米艺术家提供了极大的艺术创作舞台。借助显微镜和先进的微纳技术，一些科学艺术家已经可以在微观世界里进行创作，充分彰显了微纳科技与艺术的高度结合。
微纳米人物艺术的种类
微纳米人物艺术是近些年来才出现的一种微型艺术形式。基于不同的视角，微纳米人物艺术有不同的分类。从表现形式来讲，微纳米人物作品可分为人物塑像、人物绘画、人物雕刻等。图3是当代华人微雕艺术家金银华的作品——“一根头发丝上彩绘的40位美国总统”；图4显示的则是德国卡尔蔡司纳米技术公司的科学家采用所谓的“聚焦离子束”刻蚀工艺，在硅表面雕刻的具有立体感的美国前总统林肯像。
从制作工艺上来看，微纳米人物艺术作品可分为基于传统手工的作品和基于微纳技术的作品。基于传统手工的作品如图3所示，其创作过程和我们在正常环境中进行创作的过程相似，靠手工完成，只是在创作或欣赏过程中需要借助于高倍显微镜，同时，对雕刻及绘画的工具也有很高要求。基于微纳技术的作品如图4所示，还有图5所示的日本学者千秋南和松井真二采用聚焦离子束-化学气相沉积技术(FIB-CVD)在半导体表面上构造的“做瑜伽的纳米小人”。基于微纳技术的作品创作通常需要使用能够产生高能量聚焦离子束或光束的设备，有时甚至还要求苛刻的实验环境。
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从微纳米人物艺术的创作机理来看，又可分为基于物理方法和基于化学方法的作品。一般来说，物理法仅涉及材料的舍弃、搬移或水彩的黏附。化学方法则往往要涉及到材料表面成分的变化或新物质的产生。
从作品的尺度来讲，微纳米人物艺术作品可分为百微米量级、微纳米量级以及纳米级三大类。一般来说，传统手工创作的人物微雕或微画大都属于百微米量级的，图3“发丝上的美国总统”，其特征尺寸都在几百微米附近。基于微纳技术的雕刻或塑像，则大多属于微纳米量级，如图5所示，这些做瑜伽的小人，仅高2微米左右，但小人的胳膊及腿的粗细为数百个纳米。百微米量级的作品在高倍光学显微镜下可以看得很清楚；但要欣赏微纳米量级的作品，通常需要分辨率更高的电子显微镜。值得一提的是，近年来，有机化学中人形分子的发现将人物艺术带入了分子尺度。一个高几十余纳米的分子就是一个人物形象，还真是神奇。
微纳米人物艺术的创作技术
传统的手工创作工艺
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上面讲到的金银华，是当代微纳米艺术的杰出代表。他的作品通常要借助光学显微镜来完成。以图3为例，为了在发丝表面完成作品，金银华专门用老鼠的胡须和鸡毛杆制作了“鼠须笔”，同时又将普通国画的颜料精研磨成极其细微的微型画颜料；接着，在数百倍的光学显微镜下在发丝表面涂抹，并绘制出一个个鲜活的美国总统形象。可见，传统的手工微雕和微画创作，不仅要求艺术家具有娴熟的技艺，同时也在考验艺术家的耐心和毅力。
离子束(FIB)刻蚀技术
FIB刻蚀技术采用电磁场加速和聚焦带电离子，进而对硅等材质的表面进行刻蚀，如图4所示。FIB刻蚀原理与目前市场上流行的光刻技术相似，但由于离子的德布罗意(物质波)波长很短，因而刻蚀精度更高。遗憾的是，FIB刻蚀技术效率低下，很难在实际中得到应用，但这并不妨碍艺术家用它来开展纳米雕刻艺术创作。如图5所示，“做瑜伽的纳米小人”在2004年国际电子束/离子束/光束技术与纳米加工微观大赛中荣获了一等奖。作品中，每个小人身高2微米左右，立体程度很高，各个小人姿态的相似性极高。
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离子束-化学气相沉积技术
离子束-化学气相沉积(FIB-CVD)技术最早是由日本学者松井真二提出的。该技术需要将一根头发置于芳烃的实验环境中，并采用3万电子伏特的聚焦镓离子束在材料表面进行化学气相诱导沉积。目前，利用该项技术，科学家们已经制作了多个三维的纳米结构(雕塑)。图5就是这项技术的代表作。
双光束聚合技术
近年来，一种被称作“双光束聚合”的技术已经发展到三维纳米构型加工领域，并被用于材料表面塑像的构建。这里，最为典型的当数韩国研究人员的雕刻作品——“思想者”，见图6。该塑像高度仅为4个红血球大小，即只有五万分之一米高。然而，这个即便只能用显微镜才能看清楚的思想者，其肌肉、甚至脚趾仍清晰可见。
在作品的制造过程中，科研人员使用两股激光射线照射浸在合成树脂溶液中的材料表面，溶液中只有被两股激光射线交叉照射到的那部分树脂才会凝固，形成雕塑件的“部件”，这样的部件精度为120纳米。
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DNA折叠术
2006年，美国加州工学院纳米科学家罗斯曼博士创造出了世界上最小的人脸(图7)：DNA纳米笑脸，同时这也是世界上最“有分量”的笑脸图案。该图案由若干条平行的DNA链折叠组成，相邻的DNA之间在端部串接。DNA链是生命的遗传物质，链的粗细为几个纳米，整个笑脸的直径只有几十个纳米。
该笑脸制作所采用的工艺为“DNA折纸术”，有关研究发表于2006年英国《自然》杂志。为此，罗斯曼博士也被尊称为“DNA笑脸之父”。
纳米粒子打印技术
图8所示的“人脸形纳米太阳徽章”为IBM公司苏伊士实验室的托比亚斯博士所绘制。该徽章采用了一种被称作“纳米粒子打印技术”的手法绘制而成，即通过使用与喷墨打印机类似的原理，让纳米颗粒在材料表面有序堆积。整个图形由大约两万个60纳米的金纳米颗粒拼成。太阳的形象采用拟人手法，整个徽章的直径为几十微米，人的眼睛、鼻子及嘴巴均为十几微米，纵向厚度为几百纳米。
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微接触印刷技术
先通过光学或电子束光刻得到进行微接触印刷所要求的压模。压模常用材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)。接着，将PDMS压模浸入含有硫醇的墨溶液中。然后将浸过墨的压模压到镀金的衬底上。最后，采用湿法刻蚀(一种在溶液中进行的刻蚀方法)，或通过金膜上的单层硫醇分子来自动链接某些有机分子，并在衬底上得到所需的纳米图案。
2008年，奥运会在北京隆重召开。此时，美国西北大学的纳米科学家为奥运会送来了一份大礼，那就是1.5万枚奥运会会徽。不要觉得这没什么了不起的，要知道，这1.5万枚奥运会会徽个个尺寸都仅有几十微米左右，所有会徽被印在一块金箔表面，只占了1平方厘米的空间，而印制这些会徽所采用的技术就是“微接触印刷”。
这种会徽如此之小，以至于一粒大米上就能放2500个会徽。会徽中的字母和数字——“Beijing 2008”是由大约两万个直径为90纳米的点组成的；写意的人形以及奥林匹克五环由大约4000个直径为600纳米的点构成。
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STM分子搬动技术
扫描探针显微镜(STM)是20世纪80年代由IBM两位科学家发明的一种仪器。STM也被称作是纳米科学家的“手”和“眼”。通过扫描探针显微镜，科学家利用该仪器的探针，不仅可以观察原子、分子，还可以搬动一个个原子、分子，亲手绘制出想要的原子或分子图案。如图2“一氧化碳分子人”，它是科学家通过扫描探针显微镜操纵一氧化碳分子在金表面上拼成的小人，28个分子组成的“人”，这下你知道什么是真正的“小人”了吧!
浸笔印刷术
美国西北大学的默金研究小组近来开发了一种被称作“浸笔印刷术(DPN)”的技术。该技术用原子力显微镜(在STM基础上发展的一种设备)的针尖作“笔”,固态基底作“纸”, 能与基底产生化学反应的分子作“墨水”，分子通过凝结在针尖与基底间的水滴的毛细现象直接“书写”到基底表面。最近，默金采用DNP给自己创作了一幅写真自画像。该画像的尺寸仅有约200×200平方微米，画像中的线条宽度仅为100纳米。
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