衡伯军

摘 要：纳米材料的很多种形貌具有艺术性和很强的欣赏价值。该文从激发学生的研究兴趣为出发点，从纳米结构独特的意境之美、对称和象形之美以及与性能的密切联系等角度，总结了纳米结构的艺术性特点，提出了寓教于美，快乐学习，快乐科研的理念。

关键词：纳米科技  纳米艺术  意境之美  对称和象形之美

中图分类号：J0-05 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（c）-0227-02

纳米材料的形貌结构多种多样，有些独特的结构会对人产生意识和心理上的刺激，从而激起潜在的艺术意义和审美情趣，激起学习者对纳米技术的研究兴趣。兴趣是学生学习动力和创造性的源泉，也是快乐学习的初衷。正如著名的材料科学专家卢柯所说：“做科学就是做艺术，是一件很快乐的事情。”教育者可以“寓教于乐”、“寓教于美”，让学生在对美的感受与欣赏中，融入其中、身临其境，从而得到心灵的启迪，智力的开发，进而做到自主学习，自主研究。

现代纳米技术的实现方法主要包括“自下而上”法和“自上而下”法。“自下而上”法就是利用微操作机械或化学方法，以分子或原子为结构单位，组装、自组装成特定结构和性质的物质。“自上而下”法是用传统的光刻、切割、刻蚀、腐蚀等手段来改造物质以构建预期的结构。不论采用哪种方法，只要制备所得的材料在三维空间的任一维度处于纳米尺度范围（1～100nm），我们就称之为纳米材料，与之相关的一系列科学技术，称之为纳米科技。纳米艺术是利用艺术的想象力对纳米科技的结果进行再创造和图解。因为纳米科技涉及化学，物理，生命，医学，工程等许多学科，在这些领域里，只要是在纳米尺度上利用科学元素进行的艺术创作都可以定义为纳米艺术。纳米艺术的创作必须依赖于当代最为先进的科学仪器，如扫描和透射电子显微镜，扫描隧道显微镜和原子力显微镜等等。纳米艺术的科学元素包括原子点阵，晶体结构，生物分子，DNA，细胞，等等，对于这些实验结果的表达和展示，不仅具有实际的科学意义，而且赋予了艺术的内涵，这就是纳米艺术的本质。纳米科技是一门具有艺术性的科学，而纳米艺术是纳米科技的组成部分，两者相辅相成，协同发展，使得科学研究的过程，既有探索的艰辛也有美的享受，从而激励了研究者深入研究的兴趣。

1 纳米素材的意境之美

在微观世界里，纳米材料能展现出宏观世界里事物的各种形态，在偶然的情况下，它更给予人们一种别有意味，动人的艺术感受。我们把这种艺术感受称之为意境。这种艺术氛围能给予欣赏者心灵上的愉悦，无异于一次微观世界的探秘，能激发起人心底里对美的渴望，更能激发起研究者无穷尽的探索欲望。如图1（a）是某学者在研究氧化锌纳米针时的发现“浓云深锁天子山”。白雾茫茫中，峭立的山峰，展现出一片自然风光之美。图1（b）中那极具梵高绘画风格的向日葵，是香港大学的一位教授的作品，稼/氧化硅的复合材料，被形象的称为用稼给氧化硅施肥。图1（c）中主要刻画的是阳光下，光影交错的丛林景色，是镍钛合金经过离子束和纳米压缩后产生的图像。图1（d）是用多孔硅模板刻蚀而成的一幅画，穿过丛林的河流，三维立体构图，色彩对比鲜明;而图1（e）是斯坦福大学的Zihong Liu 的作品“湖光和小院”，明暗错落，浓淡适宜，粗犷的线条勾勒，神似野兽派油画作品，而院子的篱笆事实上是电极片[1]。

以上种种，是比较著名的一些纳米艺术作品展现出的意境之美，欣赏它们，可以让初学者对微观世界有美的艺术感受，进而激发起深入了解的欲望。科学研究的过程是单调甚至是枯燥乏味的，但这种艺术和美的感受却可以让这一过程变得兴趣盎然。笔者在研究锌掺杂氧化亚铜的时候，偶然通过扫描电子显微镜（SEM）发现了一些很美的画面，展示给学生看，引导学生欣赏其浓淡相宜、清晰与朦胧的对比，进而展现出的意境之美。如图2所示，左图是放大7万倍的SEM图，是一朵氧化锌纳米片层自组装而成的娇憨可爱的纳米花，周围烘托着的是像烟雾一样更小尺寸的丝状物，为反应中间产物氧化铜纳米线。我们把该图命名为“雾中花”，右图为放大3万倍的一朵氧化锌纳米针自组装的纳米花，宛如一朵神秘而高雅的兰花，命名为“空谷幽兰”。美妙的图片，再加上进一步的关于晶体生长机制的讲解，令学生印象深刻。罗丹有句名言：“生活中并不缺乏美，缺乏的是善于发现美的眼睛。”显微镜、纳米技术、X 射线等微观科学技术不断的发展极大地拓宽了人们观看物质世界的方式和内容，同时也为艺术带来新的发展形式。激发了人们对微观世界认识的渴望，以及对微观世界美的追求。

2 纳米结构的对称和象形之美

生活中，人们会发现自己生活在一个充满对称的世界里。在微观世界，原子分子就其本身的形状也是对称的。而由原子分子堆砌而成的纳米材料，无论从审美的角度还是实用的角度讲，其对称性都显得非常重要。纳米材料的定义，是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围。按照维数，纳米材料的基本单元可分为三类：（1）零维纳米材料，是指在空间的三维尺度都是纳米尺度，如纳米颗粒、纳米簇、纳米点等。零维纳米材料是构建组装高维度纳米材料的基本单元。（2）一维纳米材料，是指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米环、纳米带、纳米丝等;它也是构建三维纳米材料的单元。（3）二维纳米材料，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如纳米片、纳米墙、纳米板、纳米薄膜等。（4）三维纳米材料，由一维或二维纳米材料自组装而成的三维立体网络结构、多分枝多外延结构、中空壳状结构或核壳结构。从材料的性能出发，要求纳米结构相对来说比较对称和均一，有对称美观的结构单元，自组装而成的结构也应该是各向同性，高度对称和形貌均一。这样的材料在各个方向上应变系数一致，力学性能稳定;电导率，磁导率，热力学和光学系数的变化不大，从而电学、磁学、热学和光学特性都较稳定，有利于测试和分析。碳材料是纳米材料中的佼佼者，在多个领域都得到广泛的应用，碳富勒烯是继石墨和金刚石结构后发现的第三种碳分子结构。其中包含60个碳原子的碳60富勒烯的分子物理化学性能最稳定，这归结于其高度的几何对称性和独特的中空笼状结构 [2]。endprint

随着多种纳米结构的出现，一些新颖的词汇也相继出现，如：纳米花、纳米哑铃、纳米扇、纳米树、纳米箭、纳米瓶等等，这些纳米结构，是宏观物体的微观缩影，呈现出奇特的象形之美，又通过研究者丰富的想象力给以命名，显得生动有趣。象形的纳米结构有植物类象形，如树、灌木、草、花、蘑菇、椰菜花等[3]。纳米树状结构，根据反应机理的不同，可分为簇组装和线组装。图3（a）是在低真空下，应用电子束诱导碳氢化合物沉积法得到的美丽的多孔碳纳米树结构。通过电化学沉积/溶解法，还可以在金基底上生长出均匀分布的钯纳米树，如图3（b）所示。图3（c-d）是通过库伦效应分裂单壁碳纳米管顶端，形成径向分布的分枝，形成纳米树结构。这些独特的结构，使得材料在作为催化剂或电池电极时，反应能进行充分，性能大大提高。在象形纳米结构中，动物状的形貌也有很多，如蠕虫状、刺猬状、鱼鳞状等[4]，如图4（a）是利用正三辛基膦和油酸锌制备而来的ZnO二维纳米鳞片。图4（b）是运用水热法，通过反应物硝酸锌、CTAB、和六次甲基四胺在较低温度下制得的ZnO纳米毛毛虫，虫体上的纳米线增大了材料的比表面积和反应活性。图4（c）里所展示的是一种金属氧化物（V2O5）刺猬状纳米结构，它既避免了一维纳米线的团聚，又发挥了一维纳米线的小尺寸优势，在反应中活性点更多。图4（d）是调节反应时间和温度，利用油酸铜和油酸铟在十二烷基硫醇中反应所得的铜铟硫化物异质纳米晶结构，通过透射电子显微镜（TEM），相像于某种幼虫结构，非常有趣。

3 纳米结构与性能的紧密联系

在材料科学中，强调材料的结构和功能的紧密联系。材料的结构之美，不光表现在其独特的艺术性，能激发起人的兴趣和美感，还表现在其强大的实用性，有独特的力、热、光、电、磁、和生物等特性，能广泛应用于催化、生物传感器、超级电容器、储能、电池等领域。纳米技术是促进材料的结构和功能性紧密结合的纽带。比较不同的形貌结构纳米活性物质的性能，是设计功能性材料的关键。如图5，是笔者制备出的两种不同的氧化铜纳米结构，氧化铜纳米棒和氧化铜纳米花[5]。用这两种形貌的材料分别制备出超级电容器电极，通过分析比较，发现纳米花电极在高倍率电流放电时有更高的比电容，而纳米棒在低倍率电流充放电时比电容较高。从高倍率电流充放电的循环稳定性看，纳米棒的稳定性要高于纳米花。这些结论说明，纳米材料的结构形貌决定了电极的孔径分布、活性物质表面与导电碳材料、集流体之间的紧密接触度、活性物质表面与电解质之间的接触和法拉第反应的快慢、以及充放电过程中，电极活性材料自身抵抗形貌损坏的张力系数等等。探索纳米材料结构形貌的多变性，研究结构形貌与功能之间的联系，都是材料专业学生需要学习和研究的内容。

4 结语

每一个独特的纳米结构的发现都有着巨大的意义，因为它预示着一些不可知的独特功能;而没有对结构形成机理的深刻理解，是不可能制备出新颖独特的纳米相貌的。欣赏纳米花、纳米树是赏心悦目的事，但要在实验室里“培育”出一朵纳米花却非易事。实验过程要求严格控制实验条件参数，一旦条件不适宜，做出的样品必是乱糟糟一团，毫无美感可言。再者，不同的结构，是多种化学和物理作用的结果，要制备出独特结构的纳米材料，如何选择合适的反应条件和反应方法，需要一个系统性的理论学习和长期的操作实践过程。因此，不管是科学还是艺术，都要求研究者付出努力，科学发现的艰辛能激发成就感，纳米科技的艺术审美能激发起人们更多的想象力和创造力。只有乐于学习，乐于动脑，乐于动手的人，才能收获更多。作为教育者，要善于引导学生发现科学创新的着眼点和基本思路，从欣赏，到产生兴趣，到激励学生投身到纳米科学的研究中去。

参考文献

[1] 沈海军.纳米艺术-与高科技完美结合的艺术[J].边缘学科新探索，2009（3）.

[2] 沈海军.对称之美-富勒烯艺术[J].科技视野，2009（10）：25.

[3] Oxana V.Kharissova etc.，Less-Common Nanostructures in the Forms of Vegetation，Ind. Eng. Chem.Res.2010（49）：11142-11169.

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

[5] Bojun Heng etc.，Rapid synthesis of CuO nanoribbons and nanoflowers from the same reaction system， and a comparison of their supercapacitor performance，RSC Advances，2013（3）：15719-15726.endprint