显微镜下的纳米建筑技术是一门艺术

从不同的角度看，纳米建筑作品也有着不同的分类，在立体角度来看，我们可以将纳米建筑艺术作品分为平面的微纳米建筑和三维的微纳米建筑两大类。如下图1所示采用的“电子束平面印刷”的技术！这是一张原子力显微镜的照片，在砷化镓材料表面雕刻出了钯金材质的耶路撒冷标志性建筑－－哭墙的图案！图2采用的聚焦离子束－化学沉积技术制作而成！这张图为日本兵库县立大学Reo Kometani等人的三维雕塑作品――“纳米比萨斜塔”。看上去惟妙惟肖，栩栩如生！

纳米建筑技术是一门艺术

英国著名雕刻大师Willard wigan是当代微雕艺术的杰出代表。他的微雕艺术作品被一些媒体誉为“世界第九大奇迹”。Willard wigan的作品通常都是在光学显微镜下完成的。以图3“针头大小的劳埃德大厦”为例。为了制作该劳埃德大厦，Willard wigan整整用４个月时间，他用一套自制工具在金粒上进行微雕，用一根从苍蝇背上拔下的毛当作刷子来上色。创作时，为避免手发生颤抖，他的注意力要高度集中，呼吸均匀，并尽可能利用两次心跳的间隔来工作。整个创作过程中，任何细微的失误都会导致整个创作的失败，因为，在显微镜下，每次手部颤抖都会像地震一样具有破坏力。日前，该微雕作品已经以18.8万美元的高价被艺术收藏家购买。

等离子腐蚀是当今微电子领域中常用的硅表面微结构加工技术。等离子腐蚀加工的流程大致如下：使用等离子体发生器在硅的表面形成硫化氟、氟等等离子体；然后让等离子体和硅表面发生反应；当氟离子与硅表面接触反应后便会生成易挥发的氟化硅；氟化硅蒸发后，硅表面受到腐蚀，得到了相应的雕刻和微加工图形。目前，研究者发现，电子显微镜下，等离子腐蚀后的硅晶体微观表面常常会出现类似“城市中高楼林立”的情形。如图9所示，该幅作品就是巴西金边大学Alfredo Rodrigues Vaz等人用等离子体腐蚀硅晶体后得到的，作品名为“拉莫尔市区”。该作品显然和图7 西班牙科学家Irene Fernandez等人的作品“曼哈顿西区”极为相似，一栋栋高楼树立在硅的表面，有异曲同工之效。

离子束化学气相沉积技术是日本学者松井真二最早提出的。该技术需要将一材料基体置于芳烃的实验气氛环境中，并采用30keV的聚焦镓离子束在基体表面进行化学气相诱导沉积。目前，利用该项技术，松井真二已经在头发丝表面制作了多个三维的纳米结构）。FIB-CVD雕塑制作的思路可大致描述如下：沉积时，先固定离子束，在材料基体表面诱导形成一个基础立柱；然后离子束被移动一个不超过立柱直径的距离，静止不动直到在立柱顶端沉积出几十纳米厚度的阶梯；继续重复上述过程，就能使得沉积的材料层层叠加在前面沉积的结构上；最终在基体表面构造出复杂的三维纳米结构来。图2以及图10“头发上的体育场馆”都是FIB-CVD技术的代表作。在图10中，体育场的尺寸为数微米，仅为头发丝的几百分之一大小。

 近年来，科学家发明了一种被称作“双光束聚合”的三维微结构成型技术。在双光束聚合制作微纳米雕塑过程中，科学家使用两股激光射线照射一种合成树脂溶液，溶液中只有被两股激光射线交叉照射到的那部分树脂才凝固起来，形成雕塑件的“部件”，这样的部件的精度可达到120纳米，而1纳米等于100万分之一毫米。图4、图5所示的均为双光束聚合的纳米建筑作品。

电子束平面刻蚀技术的思路大致如下：首先在玻璃表面采用旋涂法覆盖一层FOX薄膜，然后使用高能电子束对玻璃表面有选择地进行曝光，并用腐蚀溶液冲洗；冲洗后，未曝光的FOX便在玻璃表面形成了相应的图案。图11为美国克奈尔大学David M. Tanenbaum等人采用电子束平面刻蚀技术在玻璃上绘制的作品“纳米夜市”。“ 纳米夜市”作品中，有高塔、大厦…灯红酒绿，一片大都市夜生活的繁荣景象。画面的线条宽度为100纳米左右。值得一提的是，图1 金色的耶路撒冷也采用了上述类似的创作方法。

2004年，美国康奈尔大学的研究人员在硅芯片上刻蚀了世界上最小的白宫图案[14]，如图12所示。该白宫尺寸约为3×2微米，领导该项工作的是Carl Batt教授。该“纳米白宫”连同另一幅作品“纳米美国国旗”被镶嵌在一块邮票大小的树脂上，最终将经过白宫负责人转交给美国总统。该项工作已经得到了美国国家自然基金的资助，采用的工艺为一种先进的纳米平面印刷技术。为了制备这面旗帜，Carl Batt教授在硅芯片表面覆盖上一层玻璃膜，然后在薄膜上刻蚀了间距为纳米量级的平行线条。由于这些线条的间距恰好和红、兰或绿等可见光中的光波长相对应，因此，稍微倾斜一下该芯片，就会观察到不同颜色所显示的白宫。

激光直写技术是近年来发展的一种在光刻胶上制作任意形状三维纳米结构的微加工技术。在纳米结构制作过程中，光刻胶只与激光光波的中间部分发生作用，这就相当于光刻胶对于激光来说是透明的，因为单光子的能量处于材料的吸收限以下。通过严格聚焦会得到高强度的超短脉冲激光。当激光与光刻胶发生相互作用时，会产生强烈的多光子吸收效应，使激光强度足够对光刻胶进行曝光。这种多光子吸收效应会使部分光刻胶发生化学或者物理变化，其变化程度可以通过调节激光功率进行控制。这种变化多呈椭圆形，是制作三维纳米结构的基本结构单元。样品的移动和激光强度控制均由计算机系统同步调节。对于光刻胶来说，不论是经过曝光的部分还是未经曝光的部分都会在后期的显影液中去除，最终留下希望得到的纳米雕塑。最近，德国Nanoscribe公司的科学家利用本公司的激光直写系统，已经创作了多个优秀的微纳米建筑作品，如图13所示，高度几百微米的埃菲尔铁塔以及在高约百微米的纳米勃兰登堡门。注：勃兰登堡门位于柏林市中心，是柏林市区著名的游览胜地和德国统一的象征。

在2006年第16届以及2008年第18届国际显微镜大赛中，日本科学家Yuya Suzuki等人先后提交了“札幌铁塔”和“金色寺院”等两副作品，这两幅作品均获得该项赛事的大奖。如图14所示，作品中的“札幌铁塔”和“金色寺院”高度均为几十微米，材质为硅晶体，需高倍电子显微镜才看得清。为了制作这些作品，Yuya Suzuki等人首先通过微采样法从晶体硅上提取体积极小的硅颗粒，然后将其固定在针尖上；接着旋转针尖，利用聚焦的离子束“轰击”硅颗粒；由于离子束的能量极高，可以有选择地熔化、蒸发硅颗粒局部表面的材料，即对硅颗粒进行雕刻，因此，只要实时精确地控制离子束和硅颗粒的相对位置，理论上就可以雕出任意的三维结构来。而“札幌铁塔”和“金色寺院”就是上述聚焦离子束雕刻技术的上乘之作。

近年来，受纳米器件“从下到上”设计思想的启示，市场上已经出现了一些所谓的 计算机辅助纳米工程设计软件。目前的计算机辅助纳米工程设计软件主要有NanoXplorer和NanoEngineer-1。NanoXplorer和NanoEngineer-1都属于纳米器件仿真设计软件，专门用于设计各种分子器件、纳米器件和纳米机器。NanoXplorer和NanoEngineer-1都是依据生命科学、物理化学、分子物理力学等工程原理来构建纳米器件的综合设计工作平台，尽管如此，这些软件也为创作包括纳米建筑在内的纳米艺术作品提供了工具，如图6所示的原子风车模型就是使用这些软件构建的。

值得一提的是，近年来，科学家们用纳米压印与纳米打印等技术，相继成功地绘制了各种图案。事实上，这些技术同样也可以用于微纳米建筑图案的创作。

创作纳米建筑艺术作品是一个多学科交叉的过程，涉及到很多领域的知识和技术，而其成像却又要依赖高倍的光学显微镜、电子显微镜以至扫描探针显微镜。随着纳米科技的飞速发展，以及艺术家不断介入，纳米建筑艺术作品创作中人的主观能动性日益增大，同时也必将表现出巨大的经济与艺术价值。