纳米碳管艺术

沈海军

提起纳米碳管，很多人都知道，那可是纳米科技中的明星。纳米碳管是由碳原子组成的中空的纳米管状分子，强度和钢材相当，密度只是钢的1／6；它可以用来存储氢，储氢效率比现有的储氢材料高出一倍；纳米碳管中空'的结构可被利用开发药物输运载体；奇特的电学特性可以被用来制作未来分子计算机中的晶体管，等等。

不过，说起纳米艺术和纳米碳管艺术，大多数人还真没听说过：难道纳米、纳米碳管也可以用来搞艺术?

纳米艺术是近几年才出现的新生事物，是随着纳米科技的飞速发展而产生的纳米学科分支。作为纳米科技的“明星”，纳米碳管当然不能被排除在外，它是纳米艺术中的主角。

现在，科学家或者纳米艺术家已经可以用纳米碳管做平面绘画、三维造型、纳米碳管扬声器、纳米收音机、纳米琴弦、SPM(扫描探针显微镜)绘画的“画笔”等。另外，科学家们做纳米碳管理论研究时也常常发现，纳米碳管的分子构型、周围的电磁场等通常也都具有一定的艺术欣赏性。

纳米碳管平面绘画艺术

说起纳米碳管平面绘画艺术，最值得一提的要算前一阵在媒体上被炒得沸沸扬扬的“纳米奥巴马”头像了。纳米奥巴马头像是由美国密歇根州立大学机械工程系教授约翰·哈特制造的。如图1所示，每个纳米奥巴马头像包含着1.5亿个纳米碳管，这些纳米碳管像丛林中的树木一样垂直地排列着，每个纳米碳管都是中空圆柱体结构，直径仅为人类头发的五万分之一。据称，为了创建“纳米奥巴马”头像，哈特教授模仿了画家谢泼德·费尔雷绘制的奥巴马素描。首先，哈特将素描头像缩小，并使用激光将头像打印在一块玻璃板上；然后，用紫外线照射模板。当紫外线穿过这个玻璃板模具时，会在一张硅薄片上形成相应的投影头像；接着，他在这个头像图形的基础上生成纳米碳管，在制造纳米碳管时采用了高温催化化学反应；最后，使用电子显微镜对纳米奥巴马头像进行拍照，得到了头像仅有0.5毫米大小的纳米艺术作品。

事实上，像这样用纳米碳管进行平面绘画，对约翰-哈特教授来说并非第一次。早在2006年，哈特就因采用了类似的方法绘制了40个Playboy的纳米碳管小兔子画像而名声大噪。如图2所示，当时绘制的每只兔子的尺寸仅为100多微米。目前，这种纳米碳管的平面绘画技术已经比较成熟。

纳米碳管三维造型艺术

如果说上面谈到的纳米奥巴马和纳米小兔子均属于纳米碳管的平面绘画艺术，那么，美国伦斯勒工业大学一位教授运用纳米管立体结构“绘制”的“雏菊”，则应属于纳米碳管的三维造型艺术范畴。如图3所示，画面上显现的一朵朵三维“雏菊”均由成千上万个排列方向不同的纳米碳管束构成，雏菊的直径约80微米。该成果展现的是这位教授不久前开发的一种新方法：用纳米碳管作骨架按设计要求制作立体结构。

该项作品的制作思路大致如下：首先，在硅半导体上做成氧化硅模具；然后，在这个模具上利用化学气相生成法所需的条件对纳米碳管的生长速度进行控制，从而使它们成长为符合目标方位的碳管造型。

纳米管音频艺术

2009年1月，美国《连线》杂志评选出2008年十大科学突破。图5纳米碳管小刀?纳米碳管单弦琴?其中之一为我国清华大学科学家使用纳米碳管制作的扬声器。这个扬声器实际上是一种纳米碳管薄膜，其发声机制和普通扬声器完全不同，普通扬声器的发声机制为机械振动，纳米碳管膜的发声机制为热致发声，即通过电流加热“使之”振动并发出声音。这种纳米碳管扬声器的声音虽然有点刺耳，但仍能依稀听出播放的是什么歌曲。

另外一个利用纳米碳管发声的设备为纳米碳管收音机。它是美国加州大学物理学家泽托教授2007年的杰作。

2006年，美国科学家辛格制成了纳尺度的“纳米小刀”，这把纳米小刀被认为将来可能用于细胞手术。事实上，纳米碳管小刀也相当于一把单弦琴，若利用激光脉冲或SPM探针拨动琴弦，如图5所示，使得纳米碳管振动起来，该单弦琴也同样会发出特定频率的声音来。

上述种种迹象表明，纳米碳管扬声器、收音机、单弦琴的出现，使得纳米碳管发声、甚至歌唱成为可能，这将为今后纳米声乐艺术的发展提供崭新的思路。

纳米管在“SPM绘画”中的应用

20世纪80年代，扫描探针显微镜(SPM)的发明使人们对物质世界的认识与改造深入到了原子和分子层面。SPM成为人类首次既可以直接观察原子、分子、纳米粒子，又可以直接操纵原子、分子、纳米粒子的工具。如图6所示，由于SPM探针针尖的曲率半径小，并且和样品之间的距离很近，在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的力场、电场等。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生力的作用、相变、化学反应等，这正是利用SPM进行纳米加工、操纵粒子和绘画的客观依据。

图7为科学家使用SPM搬动一氧化碳分子在铂表面绘制(拼出)的“分子人”，分子人身高仅为几个纳米。要像图7那样使用SPM搬动原子、分子进行绘画，SPM探针针尖的曲率半径必须要足够小，最好达到几十纳米(1纳米=10^-9米，相当于1米的10亿分之一)。然而，目前大多数SPM探针针尖的曲率半径都在300纳米以上，用这么粗的SPM探针去操纵直径小于1纳米的原子或分子，就好比我们用一个磨盘粗细的“大柱子”去拨动一粒芝麻一样，显然是力不从心的。为此，科学家们成功地在SPM探针针尖上安装了纳米碳管，最终解决了上述难题。由于纳米碳管的直径很细，一般只有几十纳米，这样，SPM搬动原子／分子进行作画、并对最终的原子／分子画进行观察就变得容易了。原子、分子绘画也终于有了强有力的工具。

纳米管理论研究过程中的艺术

为了研究纳米碳管的力学、电磁学等物理化学特性，科学家经常采用各种计算机软件对纳米碳管进行电磁场、力场等理论模拟。如果留意的话，科学家会发现，模拟的结果中，碳管周围的各种电磁场等往往是绚丽的，常带有一定的艺术性。正如图8所示，它们分别为理论模拟后纳米碳管束周围的磁场和电场。

由于纳米碳管具有中空的柱状结构，因此，在设计未来的分子机器中，经常被认为是优先考虑的“部件”。现在，美国的一些纳米软件公司已经开发了专门的纳米工程设计软件，用来设计分子机器。目前，使用这款软件，科学家们已经设计了许多具有特定功能的分子机器。如果从审美的角度来看，这些机器个个都堪称微观世界的艺术珍品。在这些纳米工程设计软件中，纳米碳管模型的生成都被无一例外地作为一个重要的模块；纳米碳管已成为计算机辅助分子机械设计中的重要单元。图9为纳米工程设计软件设计的分子传动齿轮实例。在该分子机械中，两个纳米管分别被用作主动和从动齿轮的中轴。

事实上，即使不去考虑纳米碳管周围的场的分布或者其他部件，只要心情好，在计算机软件／屏幕上沿着碳管的轴向看去，这种纳米碳管的景象同样能给人以美的视觉享受。(文章代码：1306)

责任编辑赵菲