一、引言
作为社会的主宰，人类创造了经济、政治、军事、体育….同时也创造了文化和艺术。在人类的文艺活动中，他既是文艺创作的主体，同时也是文艺创作的对象和素材；譬如，舞蹈、绘画、雕塑、曲艺、电影中，人物形象都长期以来占据着举足轻重的位置。
二十世纪末至本世纪初，纳米技术的发展对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，即人们希望借助微纳米等高科技手段用极少的原材或代价生产更多、更优秀的艺术作品。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”，成功雕刻了人物身高约1毫米的微缩版；2007年，两位意大利纳米艺术家Scali和Goode则采用“光刻”技术制作了硅自由女神像雕塑，身高仅为0.5毫米；比上述自由女神像还小的“纳米”雕塑（见图1（a））来自美国伯明翰大学纳米研究实验室，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；尽管如此，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。如图1（b）所示，是一个“分子人”，塑像共由28个一氧化碳分子组成。比较一下，陕西乾陵的参拜石像高度足足为“分子人”身高的三千万倍。
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很大的艺术创作舞台。现在，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人物塑像、人物雕刻、人物绘画等，充分彰显了微纳科技与艺术的高度结合。
二、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。如图2所示，这是英国当代微雕大师Willard Wigan创作的微雕艺术品—“针眼里的自由女神像”，自由女神的身体、头部、手足等的粗细和头发丝相当；再如图3所示，这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则显示的是德国Carl Zeiss NTS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2、图3所示，这些微雕或微画的创作过程其实和宏观相似，靠手工完成，不过创作或欣赏过程中需要高倍的显微镜，同时，对雕刻/绘画的工具也有很高的要求。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Chiaki Minari和Shinji Matsui采用FIB-CVD（聚焦离子束-化学气相沉积）技术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试验环境。
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，像图2、图3这种基于传统手工方法创作的微雕或微画大多都属于物理方法的作品。其过程仅涉及材料的舍弃、搬移或水彩的粘附。而像图4、图5所示的基于微纳技术的雕刻或塑像大多都可以归结为基于化学方法的作品。这些艺术品的创作过程中往往要涉及到发质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的三大类。一般来说，传统手工创作的人物微雕或微画都大都属于百微米量级的，如图2“针眼里的自由女神像”和图3“发丝上的美国总统”，这些作品的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都属于微纳米量级，如图5所示，该做瑜伽的纳米小人的高度约为2微米，但小人的胳膊、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就能看得很清楚，而要欣赏微纳米量级的作品则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引入了分子尺度。如图6所示，一个几十余纳米的分子就是一个人物形象，还真是神奇。
三、微纳米人物艺术的创作技术
1. 传统的手工创作工艺
上面讲到的Willard Wigan和金银华都是当代微雕微画艺术的杰出代表。他们的微雕或微画作品通常要借助光学显微镜来完成。以图2 Willard Wigan的作品“针眼里的自由女神像”为例，其创作过程大致如下：首先使用极其微小的刻刀（刻刀的刃部尺寸约为发丝直径的1/7）对金块、砂糖粒或沙粒进行微雕；雕刻这些作品时，必须保持高度注意力，呼吸均匀，并抓紧利用两次心跳的间隔来工作；事实上，任何一点失误都会毁掉整个作品。整个过程，包括作品的欣赏都需要借助高倍的光学显微镜来完成。再如，图3“发丝上的40位美国总统”，作者金银华同样是在光学显微镜下完成的。为了在发丝表面完成40位总统的彩色绘制，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对发丝表面涂抹，并绘制出了一个个鲜活的美国总统形象。可见，传统的手工微雕/微画创作，不仅要求艺术家要有娴熟的技艺，同时也在考验艺术家的耐心和毅力。
2. 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的离子，进而可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。离子束光刻主要包括聚焦离子束刻蚀和离子投影刻蚀等。其中，聚焦离子束刻蚀发展得较早，也较为完备，特别是镓离子聚焦技术。最近实验研究中已采用镓离子已获得了10纳米的分辨率。遗憾的是，FIB刻蚀技术效率低下，很难在实际生产中得到应用，但这并不妨碍科学艺术家用它来开展纳米雕刻艺术创作。如图5所示，该“做瑜伽的纳米小人”作品在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。作品的立体程度很高，每个小人姿态的相似性极高。可谓纳米雕塑中的极品。
3. 离子束化学气相沉积（FIB-CVD）技术
离子束化学气相沉积技术最早是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气氛环境中，并采用30keV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）。如图7所示，FIB-CVD雕塑制作的思路如下：沉积时，先固定离子束，在发丝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；最终在材料表面构造出复杂的三维纳米结构（塑像）来。图5“做瑜伽的纳米小人”就是FIB-CVD技术的代表作。
4. 双光束聚合技术
近年来，一种被称作“双光束聚合”的技术已经被发展到三维纳米构型的加工[10]，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8。该塑像高度仅为四个红血球大小，高只有五万分之一米。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。
在纳米思想者的制造过程中，Ovsianikov使用两股激光射线照射浸在合成树脂溶液中材料的表面，溶液中只有被两股激光射线交叉照射到的那部分树脂才凝固起来，形成雕塑件的“部件”，这样的部件的精度为120纳米。
5. DNA折叠术
2006年，美国加州工学院纳米科学家Rothemund博士创造出了世界上最小的人脸（见图9）：DNA纳米笑脸，同时这也是世界上最“有份量”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，而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”，发表于2006 年英国自然杂志。为此，Rothemund博士也被尊称为“DNA笑脸之父”。
6. 纳米粒子打印技术
如图10所示，“人脸形纳米太阳徽章”为IBM公司苏伊士实验室的Tobias Kraus 博士绘制的。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。
7. 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。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Mirkin为奥运会送来了一份大礼(见图11)，那就是一万五千枚奥运会会徽。不要觉得这没有什么了不起，要知道，这一万五千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的表面，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2万个直径为90纳米的点组成的；写意的人形以及奥林匹克五环用大约4000个直径为600纳米的点构成。
8.人形分子
说起人形分子，必须要提到一个人，那就是美国莱斯大学的化学家Tour教授。Tour教授的主要研究方向之一是有机化学，但2003年发表于《J. Org. Chem.》杂志23期上的一篇名为“Synthesis ofAnthropomorphic Molecules”（“人形分子的合成”）的文章却使得他名声大噪。在该文中，出现了几对手舞足蹈、跳着拉丁舞的“男女”分子表达式（见图12）。该分子式形象之生动，构思之巧妙，压倒了论文内容的本身，让人拍案叫绝，成为整篇文章的最大亮点。
事实上，Tour教授发表的人形分子属于一类被称作“纳米莆田”的化学分子。这类分子的最大特征就是分子结构看起来酷似人的形象，这不禁会使人联想到《格列佛游记》中描写的小人国居民。
纳米莆田分子是一大类人形分子，但它们的基本形式却是一种被称为“纳米孩童”的分子构型。将“纳米孩童”分子溶于醇溶液中加热，化学反应后常常还会得到其他不同形式的人形分子，如“纳米运动员”、“纳米王后”、“纳米博士”、“纳米面包师”等。
9. STM分子搬动技术
扫描探针显微镜（STM）是上世纪80年代IBM两位科学家发明的一种仪器。利用该仪器的探针，科学家不仅可以观察原子、分子，还可以对原子、分子STM也被称作是纳米科学家的“手”和“眼”。通过扫描探针显微镜，现在科学家已经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1（b），作品“一氧化碳分子人”是科学艺术家Zeppenfeld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！
10. 浸笔印刷术
美国西北大学的Mirkin 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，Mirkin采用DNP给自己创作了一幅写真的自画像(见图13)，该画像形象传神，线条清晰，整个画面的尺寸仅有约200´200微米，画像中的线条宽度为100纳米。
到目前为止，有关DPN的研究成果报道还有直径为几微米的斑点、线宽为几微米的方格等。虽然DPN 的速度比较慢,但能够使用多种不同的分子作“墨水”,使纳米尺度上的印刷具有很大的化学灵活性。
11. 纳米碳管化学气相沉积（CVD）诱导生长
近日，美国密歇根大学科学家使用大约1.5亿根纳米碳管为当选总统奥巴马制作了一组画像。这是一幅在电子显微镜下才看到了纳米碳管奥巴马画像(见图14)。微型奥巴马头像的作者是约翰·哈特教授，他称他的作品为“纳米奥巴马”。每个纳米奥巴马头像包含上亿个纳米碳管，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，其直径仅为人体头发的五万分之一。据称，哈特制造这件“纳米艺术品”的真实目的在于让更多人来体验纳米技术与艺术的魅力所在。
为了创建“纳米奥巴马”头像，哈特采用了画家谢泼德·费尔雷绘制的奥巴马素描头像，该奥巴马头像以红、白、蓝三种颜色为主色调，曾颇受美国民众欢迎。哈特先是将这个素描头像进行缩小，并将缩小的头像打印在一个玻璃板上。然后，照射紫外线穿过这个玻璃板板，将头像投影在一张硅片上。接着，他巧妙地在硅片表面有头像的地方“撒”上催化剂，并使用高温CVD方法在有催化剂的地方生长纳米碳管。最后，研究人员使用电子显微镜对硅片进行了拍照，得到了尺寸仅有0.5毫米大小的纳米奥巴马头像。
