衡伯軍

摘 要：納米材料的很多種形貌具有藝術(shù)性和很強(qiáng)的欣賞價(jià)值。該文從激發(fā)學(xué)生的研究興趣為出發(fā)點(diǎn)，從納米結(jié)構(gòu)獨(dú)特的意境之美、對(duì)稱和象形之美以及與性能的密切聯(lián)系等角度，總結(jié)了納米結(jié)構(gòu)的藝術(shù)性特點(diǎn)，提出了寓教于美，快樂(lè)學(xué)習(xí)，快樂(lè)科研的理念。

關(guān)鍵詞：納米科技 ?納米藝術(shù) ?意境之美 ?對(duì)稱和象形之美

中圖分類號(hào)：J0-05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）10（c）-0227-02

納米材料的形貌結(jié)構(gòu)多種多樣，有些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)人產(chǎn)生意識(shí)和心理上的刺激，從而激起潛在的藝術(shù)意義和審美情趣，激起學(xué)習(xí)者對(duì)納米技術(shù)的研究興趣。興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力和創(chuàng)造性的源泉，也是快樂(lè)學(xué)習(xí)的初衷。正如著名的材料科學(xué)專家盧柯所說(shuō)：“做科學(xué)就是做藝術(shù)，是一件很快樂(lè)的事情?！苯逃呖梢浴霸⒔逃跇?lè)”、“寓教于美”，讓學(xué)生在對(duì)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(kāi)發(fā)，進(jìn)而做到自主學(xué)習(xí)，自主研究。

現(xiàn)代納米技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法主要包括“自下而上”法和“自上而下”法。“自下而上”法就是利用微操作機(jī)械或化學(xué)方法，以分子或原子為結(jié)構(gòu)單位，組裝、自組裝成特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的物質(zhì)?！白陨隙隆狈ㄊ怯脗鹘y(tǒng)的光刻、切割、刻蝕、腐蝕等手段來(lái)改造物質(zhì)以構(gòu)建預(yù)期的結(jié)構(gòu)。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(guān)的一系列科學(xué)技術(shù)，稱之為納米科技。納米藝術(shù)是利用藝術(shù)的想象力對(duì)納米科技的結(jié)果進(jìn)行再創(chuàng)造和圖解。因?yàn)榧{米科技涉及化學(xué)，物理，生命，醫(yī)學(xué)，工程等許多學(xué)科，在這些領(lǐng)域里，只要是在納米尺度上利用科學(xué)元素進(jìn)行的藝術(shù)創(chuàng)作都可以定義為納米藝術(shù)。納米藝術(shù)的創(chuàng)作必須依賴于當(dāng)代最為先進(jìn)的科學(xué)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(shù)的科學(xué)元素包括原子點(diǎn)陣，晶體結(jié)構(gòu)，生物分子，DNA，細(xì)胞，等等，對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表達(dá)和展示，不僅具有實(shí)際的科學(xué)意義，而且賦予了藝術(shù)的內(nèi)涵，這就是納米藝術(shù)的本質(zhì)。納米科技是一門具有藝術(shù)性的科學(xué)，而納米藝術(shù)是納米科技的組成部分，兩者相輔相成，協(xié)同發(fā)展，使得科學(xué)研究的過(guò)程，既有探索的艱辛也有美的享受，從而激勵(lì)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(xiàn)出宏觀世界里事物的各種形態(tài)，在偶然的情況下，它更給予人們一種別有意味，動(dòng)人的藝術(shù)感受。我們把這種藝術(shù)感受稱之為意境。這種藝術(shù)氛圍能給予欣賞者心靈上的愉悅，無(wú)異于一次微觀世界的探秘，能激發(fā)起人心底里對(duì)美的渴望，更能激發(fā)起研究者無(wú)窮盡的探索欲望。如圖1（a）是某學(xué)者在研究氧化鋅納米針時(shí)的發(fā)現(xiàn)“濃云深鎖天子山”。白霧茫茫中，峭立的山峰，展現(xiàn)出一片自然風(fēng)光之美。圖1（b）中那極具梵高繪畫風(fēng)格的向日葵，是香港大學(xué)的一位教授的作品，稼/氧化硅的復(fù)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(yáng)光下，光影交錯(cuò)的叢林景色，是鎳鈦合金經(jīng)過(guò)離子束和納米壓縮后產(chǎn)生的圖像。圖1（d）是用多孔硅模板刻蝕而成的一幅畫，穿過(guò)叢林的河流，三維立體構(gòu)圖，色彩對(duì)比鮮明;而圖1（e）是斯坦福大學(xué)的Zihong Liu 的作品“湖光和小院”，明暗錯(cuò)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(shí)上是電極片[1]。

以上種種，是比較著名的一些納米藝術(shù)作品展現(xiàn)出的意境之美，欣賞它們，可以讓初學(xué)者對(duì)微觀世界有美的藝術(shù)感受，進(jìn)而激發(fā)起深入了解的欲望?？茖W(xué)研究的過(guò)程是單調(diào)甚至是枯燥乏味的，但這種藝術(shù)和美的感受卻可以讓這一過(guò)程變得興趣盎然。筆者在研究鋅摻雜氧化亞銅的時(shí)候，偶然通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）發(fā)現(xiàn)了一些很美的畫面，展示給學(xué)生看，引導(dǎo)學(xué)生欣賞其濃淡相宜、清晰與朦朧的對(duì)比，進(jìn)而展現(xiàn)出的意境之美。如圖2所示，左圖是放大7萬(wàn)倍的SEM圖，是一朵氧化鋅納米片層自組裝而成的嬌憨可愛(ài)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(yīng)中間產(chǎn)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(wàn)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(jìn)一步的關(guān)于晶體生長(zhǎng)機(jī)制的講解，令學(xué)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(fā)現(xiàn)美的眼睛?！憋@微鏡、納米技術(shù)、X 射線等微觀科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展極大地拓寬了人們觀看物質(zhì)世界的方式和內(nèi)容，同時(shí)也為藝術(shù)帶來(lái)新的發(fā)展形式。激發(fā)了人們對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)的渴望，以及對(duì)微觀世界美的追求。

2 納米結(jié)構(gòu)的對(duì)稱和象形之美

生活中，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己生活在一個(gè)充滿對(duì)稱的世界里。在微觀世界，原子分子就其本身的形狀也是對(duì)稱的。而由原子分子堆砌而成的納米材料，無(wú)論從審美的角度還是實(shí)用的角度講，其對(duì)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(shù)，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(diǎn)等。零維納米材料是構(gòu)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(huán)、納米帶、納米絲等;它也是構(gòu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、多分枝多外延結(jié)構(gòu)、中空殼狀結(jié)構(gòu)或核殼結(jié)構(gòu)。從材料的性能出發(fā)，要求納米結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較對(duì)稱和均一，有對(duì)稱美觀的結(jié)構(gòu)單元，自組裝而成的結(jié)構(gòu)也應(yīng)該是各向同性，高度對(duì)稱和形貌均一。這樣的材料在各個(gè)方向上應(yīng)變系數(shù)一致，力學(xué)性能穩(wěn)定;電導(dǎo)率，磁導(dǎo)率，熱力學(xué)和光學(xué)系數(shù)的變化不大，從而電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)特性都較穩(wěn)定，有利于測(cè)試和分析。碳材料是納米材料中的佼佼者，在多個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，碳富勒烯是繼石墨和金剛石結(jié)構(gòu)后發(fā)現(xiàn)的第三種碳分子結(jié)構(gòu)。其中包含60個(gè)碳原子的碳60富勒烯的分子物理化學(xué)性能最穩(wěn)定，這歸結(jié)于其高度的幾何對(duì)稱性和獨(dú)特的中空籠狀結(jié)構(gòu) [2]。endprint

隨著多種納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，一些新穎的詞匯也相繼出現(xiàn)，如：納米花、納米啞鈴、納米扇、納米樹(shù)、納米箭、納米瓶等等，這些納米結(jié)構(gòu)，是宏觀物體的微觀縮影，呈現(xiàn)出奇特的象形之美，又通過(guò)研究者豐富的想象力給以命名，顯得生動(dòng)有趣。象形的納米結(jié)構(gòu)有植物類象形，如樹(shù)、灌木、草、花、蘑菇、椰菜花等[3]。納米樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)反應(yīng)機(jī)理的不同，可分為簇組裝和線組裝。圖3（a）是在低真空下，應(yīng)用電子束誘導(dǎo)碳?xì)浠衔锍练e法得到的美麗的多孔碳納米樹(shù)結(jié)構(gòu)。通過(guò)電化學(xué)沉積/溶解法，還可以在金基底上生長(zhǎng)出均勻分布的鈀納米樹(shù)，如圖3（b）所示。圖3（c-d）是通過(guò)庫(kù)倫效應(yīng)分裂單壁碳納米管頂端，形成徑向分布的分枝，形成納米樹(shù)結(jié)構(gòu)。這些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得材料在作為催化劑或電池電極時(shí)，反應(yīng)能進(jìn)行充分，性能大大提高。在象形納米結(jié)構(gòu)中，動(dòng)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(lái)的ZnO二維納米鱗片。圖4（b）是運(yùn)用水熱法，通過(guò)反應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)，它既避免了一維納米線的團(tuán)聚，又發(fā)揮了一維納米線的小尺寸優(yōu)勢(shì)，在反應(yīng)中活性點(diǎn)更多。圖4（d）是調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間和溫度，利用油酸銅和油酸銦在十二烷基硫醇中反應(yīng)所得的銅銦硫化物異質(zhì)納米晶結(jié)構(gòu)，通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM），相像于某種幼蟲結(jié)構(gòu)，非常有趣。

3 納米結(jié)構(gòu)與性能的緊密聯(lián)系

在材料科學(xué)中，強(qiáng)調(diào)材料的結(jié)構(gòu)和功能的緊密聯(lián)系。材料的結(jié)構(gòu)之美，不光表現(xiàn)在其獨(dú)特的藝術(shù)性，能激發(fā)起人的興趣和美感，還表現(xiàn)在其強(qiáng)大的實(shí)用性，有獨(dú)特的力、熱、光、電、磁、和生物等特性，能廣泛應(yīng)用于催化、生物傳感器、超級(jí)電容器、儲(chǔ)能、電池等領(lǐng)域。納米技術(shù)是促進(jìn)材料的結(jié)構(gòu)和功能性緊密結(jié)合的紐帶。比較不同的形貌結(jié)構(gòu)納米活性物質(zhì)的性能，是設(shè)計(jì)功能性材料的關(guān)鍵。如圖5，是筆者制備出的兩種不同的氧化銅納米結(jié)構(gòu)，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(jí)電容器電極，通過(guò)分析比較，發(fā)現(xiàn)納米花電極在高倍率電流放電時(shí)有更高的比電容，而納米棒在低倍率電流充放電時(shí)比電容較高。從高倍率電流充放電的循環(huán)穩(wěn)定性看，納米棒的穩(wěn)定性要高于納米花。這些結(jié)論說(shuō)明，納米材料的結(jié)構(gòu)形貌決定了電極的孔徑分布、活性物質(zhì)表面與導(dǎo)電碳材料、集流體之間的緊密接觸度、活性物質(zhì)表面與電解質(zhì)之間的接觸和法拉第反應(yīng)的快慢、以及充放電過(guò)程中，電極活性材料自身抵抗形貌損壞的張力系數(shù)等等。探索納米材料結(jié)構(gòu)形貌的多變性，研究結(jié)構(gòu)形貌與功能之間的聯(lián)系，都是材料專業(yè)學(xué)生需要學(xué)習(xí)和研究的內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

每一個(gè)獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)都有著巨大的意義，因?yàn)樗A(yù)示著一些不可知的獨(dú)特功能;而沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)形成機(jī)理的深刻理解，是不可能制備出新穎獨(dú)特的納米相貌的。欣賞納米花、納米樹(shù)是賞心悅目的事，但要在實(shí)驗(yàn)室里“培育”出一朵納米花卻非易事。實(shí)驗(yàn)過(guò)程要求嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)，一旦條件不適宜，做出的樣品必是亂糟糟一團(tuán)，毫無(wú)美感可言。再者，不同的結(jié)構(gòu)，是多種化學(xué)和物理作用的結(jié)果，要制備出獨(dú)特結(jié)構(gòu)的納米材料，如何選擇合適的反應(yīng)條件和反應(yīng)方法，需要一個(gè)系統(tǒng)性的理論學(xué)習(xí)和長(zhǎng)期的操作實(shí)踐過(guò)程。因此，不管是科學(xué)還是藝術(shù)，都要求研究者付出努力，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的艱辛能激發(fā)成就感，納米科技的藝術(shù)審美能激發(fā)起人們更多的想象力和創(chuàng)造力。只有樂(lè)于學(xué)習(xí)，樂(lè)于動(dòng)腦，樂(lè)于動(dòng)手的人，才能收獲更多。作為教育者，要善于引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)科學(xué)創(chuàng)新的著眼點(diǎn)和基本思路，從欣賞，到產(chǎn)生興趣，到激勵(lì)學(xué)生投身到納米科學(xué)的研究中去。

參考文獻(xiàn)

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

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