沈海军 文

       一、引 言
      1990年，第一届国际纳米科学与技术会议在美国巴尔的摩市举办，标志着纳米科技的诞生。经过二十年飞速的发展，纳米科技的影响已经遍及人类社会生产与生活的各个角落，已派生了包括纳米材料学、纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米计量学、纳米机械学、纳米生物学、纳米力学在内的诸多主流学科分支。
      近几年来，一门与纳米科技紧密结合的非主流纳米学科—纳米艺术学，悄然兴起，并逐渐吸引了艺术界与科学界的眼球。目前，国内外已经开始出现一些专门的纳米艺术网站，如国内的纳米艺术网http://nanoart.lingd.net/、国外纳米艺术家Cris Orfescu的博客http://nanoart.blogspot.com等。一些关于纳米艺术的文章也开始在一些主流杂志上发表，其中，最有代表性的是英国《自然》杂志2007年九月发表的关于《Nanoart: seeing the invisible》一书的评论。
       纳米艺术的形式包括纳米画（纳米级的图画）、纳米雕塑、纳米题材视频短片和纳米声乐等。和纳米画、纳米雕塑、纳米题材视频短片相比，纳米声乐的发展相对缓慢。然而，随着人们对纳米/分子结构、DNA、核磁共振、纳米显微技术等课题的不断深入研究，让纳米结构发声，让分子/原子奏乐，已初见端倪、指日可待。

       二、纳米声乐与纳米声乐技术的内涵
      纳米是一种长度单位，1纳米等于10亿分之一米，大约为10个氢原子的直径。纳米技术是指在纳米尺度（1~100纳米量级）下探究和利用物质各种特性的相关技术。关于纳米声乐，目前业内并没有公认的定义，甚至没有得到大家认可。在笔者的《纳米艺术概论》一书中，纳米声乐被定义为，“利用纳米结构、分子、原子及微观粒子，产生或间接产生悦耳声音的艺术”，而纳米声乐技术被定义为“与纳米声乐相关的纳米技术”。
      按照声源尺度的大小，纳米声乐可分为利用纳米结构发声、分子发声、原子发声、以及微观粒子发声等几个层次。按照发声机理，纳米声乐则包含利用纳米结构/分子振动、微观粒子的波动性、化学键形成与开裂、多稳态分子构型的转变发声等几种类型。按照声源的材质，纳米声乐又可分为纳米碳管声乐、DNA分子声乐、半导体纳米声乐、有机小分子声乐、原子与微观粒子声乐等。纳米声乐技术包括制备纳米声音传播设备、纳米发声器件（纳米乐器），纳米/分子/原子弹奏、分子/原子谱曲等。由于来自纳米尺度的声音频率一般都超出了人的听觉范围，因此，如何将“超”声波转换为声波也应该属于纳米声乐技术的范畴。

      三、纳米声乐的技术进展 
      1.纳米碳管收音机
      2008 年，美国《技术评论》杂志评选出了前一年国内的10 大新兴技术。美国加州大学物理学家泽托教授的纳米碳管收音机名列其中。
      纳米碳管收音机是迄今为止世界上最小的收音机：它的关键部件由一根直径仅为几十纳米的纳米碳管构成，人们加上电池和耳机就能用它收听到自己想要的广播节目。这种纳米碳管收音机比现在的普通收音机要小10亿倍。
       在该纳米碳管收音机中，纳米碳管被置于真空管中，并将一端固定在电池的负极上。纳米碳管的另一端（即自由端）和电池正极之间留有纳米量级的间隙。如果电极间的电压足够高，正极能将纳米碳管自由端的电子夺过来。当广播电台的无线电信号经过该纳米碳管收音机时，其产生的电场将不断“推”和“拉”纳米管的自由端，也就是纳米碳管随无线电信号发生共振，利用这种共振现象及回路中相应的电流变化就可以探测到无线电信号。这里，回路中受无线电信号感应得到的高频交变电流信号后经纳米碳管“调谐”、“放大”和“解调”后，便会转化为携带声音信息的低频信号，进而，通过喇叭等播出声音。
       纳米碳管收音机的出现，使得纳米结构发声、甚至歌唱成为可能，为未来纳米声乐的发展提供了新的思路。 
        2. 纳米粒子音乐与DNA音乐
       根据量子力学的观点，微观粒子具有波粒二相性，也就是说，纳米粒子本身就是波的叠加。既然声音也是波的叠加，那么，声就可以用微观粒子波体系来描述。2001年，《Organized Sound》第二期上曾发表了一篇关于纳米粒子音乐的文章。在该文中，作者Bob博士经过分析粒子波与声合成之间的关系后，发现了两者之间的相似性，进而从理论上阐述了利用纳米粒子波进行谱曲的全过程。最后，Bob博士认为，“利用粒子系统可以进行谱曲…在未来，粒子加速器就是乐器，而粒子物理学家就是谱曲家”。
       提起DNA大家都不陌生，但如果说起DNA音乐，许多人会大吃一惊。1984年，日本癌症研究中心的两位生物学家在进行DNA研究的时候，别出心裁地用音符来代替碱基排列顺序，用音符的[2、3、5、6]来代替[G、C、T、A]。他们把人体白血病病毒的DNA的碱基排列顺序配成乐谱，并用电子乐器演奏的时候，听众无不缠绵悱恻，潸然泪下！此后，在美国、英国学者和日本其他科学家的努力下，DNA变奏曲，DNA组曲等也应运而生，它们以迷人的旋律赢得了众多的观众。 
       3. 纳米吉它与单弦琴
        1997年，美国康奈尔大学的科学家们采用刻蚀的方法制作了一把极其微小的“纳米吉它”，该吉它的材质为单晶硅，长度只有10个微米，相当于单个细胞的大小。6根弦中每根弦只有50纳米粗，相当于100个 原子的宽度。比人的头发还要细2000多倍。据康奈尔大学应用工程物理学教授Harold Craighead称，如果能用某种技术拨动这把吉它的弦，它也能像其他普通吉它那样产生共鸣。
        在制造这把微型吉它时，科学家发现，该吉它发出来的声音频率已超出了人听觉的范围，人耳根本无法听到。尽管如此，通过某种频率转换，该吉它还是可以为我们演奏的。
       2006年另一位美国科学家Singh在两根钨探针中间连接了纳米碳管，制成了纳尺度的锯弓（也称为“纳米小刀”）。该纳米锯弓被认为将来可能用于生物细胞的手术。事实上，该纳米锯弓实际上也相当于一把单弦琴，若利用激光脉冲拨动琴弦，使得纳米碳管振动起来，该单弦琴也会发出特定频率的声音来。
       4. 原子力显微镜弹奏
       原子力显微镜是一种利用原子、分子间的相互作用力来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。它有一根纳米级的探针，被固定在一个可灵敏操控的微悬臂上。当探针很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力就会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据该偏离量，原子力显微镜就能间接地探测出样品的表面形貌或原子、分子。
       现在，利用原子力显微镜，科学家已经可以监听原子力显微镜探针针尖原子与物体表面原子之间化学键形成与断裂的声响，并且发现，不同化学键形成与断裂所发出的声音各不相同。试想，如果物体表面的原子排列得如此巧妙，那么原子力显微镜针尖和物体表面不同原子之间不断接触，化学键不断形成和断裂，那么，完全有可能像弹电子琴一样演奏出美妙的歌曲来。 
       5. 核磁共振演奏
       核磁共振是指原子核在外磁场作用下因共振而大量吸收某种频率辐射的物理过程。核磁共振波谱是光谱学的一个重要分支。在我们的日常生活中，核磁共振通常是用来进行身体检查，用来成像的。通常，核磁共振光谱的频率远超出人的听觉范围，但是，当核磁共振遇见“好事”的音乐家，这种情况就发生了改变。最近，笔者发现，在一个自称为“磁共振遇见音乐家“（NMR meets musicians）的网站上，兰格•纽伦堡大学的有机化学的教授们详细阐述将如何将核磁共振转化为声乐的全过程。在那里，即使像酒精这样如此普通的物质，其磁共振谱也能奏出美妙的声响。 
         6. 原子谱曲
        简谱中，用1、2、3…分别代表“嘟”、“唻”、“咪”…，这是普通人都知道的乐理常识。纸张上一串不起眼的阿拉伯数字也许就代表了一段美妙的音乐。事实上，以现有的纳米技术水平，搬动一个个特定的原子，用不同原子代表不同的音符，在材料基体上有序排列、“谱曲”已经成为可能。早在十几年前，科学家们就已经可以利用原子力显微镜自如地搬动和排列原子了。当然，要将这种原子谱写的曲子转化为声音，仍需要时日。 
         7. 分子弹奏
       我国古代的编钟之所以可以敲出发出悦耳的音响，主要是在于不同的钟具有不同的固有频率，因此，敲打时不同编钟发出的声音也就有所差异。自然界中的分子也是这样，不同的分子谐振频率各不相同，这种分子的振动频率就像不同的人具有不同的指纹一样。以纳米碳管分子为例，碳管的直径不同、长度不同，谐振频率就有所不同。近来，通过计算机，笔者将不同直径、不同长度纳米碳管的谐振频率与音乐简谱中的音符联系起来，已经可以利用七根不同的纳米碳管弹奏出简单的音乐来。
       化学中有一类被称作“多稳态分子”的物质。这种物质在光（或者酸碱环境）作用下，分子的构型会在几种相对稳定的状态之间相互转换。显然，从理论上讲，如果将稳态分子的构型和音符联系起来，用不同频率的光脉冲来照射、进而“弹奏”纳米音乐，完全是有可能的。

      四、纳米声乐发展相关的几个问题 
       1. 尺度－纳米声乐艺术发展的最大障碍
纳米声乐是利用纳米结构、分子、原子及微观粒子发声的艺术。纳米结构、分子、原子只有电子显微镜、原子探针显微镜才能分辨，即便是高倍的光学显微镜也很难看得见。显然，要让这么小的器件发声，还要发出悦耳的音响，的确是一件非常困难的事。可以想象，即便是再伟大音乐家，面对一台电子显微镜，一件肉眼看不见、手指摸不着的所谓“纳米乐器”，也只能是不知所措，无能为力。
       2. 纳米结构发声机理与声频转换
      目前，利用纳米结构/分子振动、微观粒子的波动性、化学键形成与开裂、多稳态分子构型的转变的机理均可以得到各种频率的谱。然而，这些谱的频率分布范围十分广阔，远超过人的听觉，因此，如何有效地将这些频谱转化为我们能听得见声音，以及找到可以发出适宜于声频转换的纳米乐器，也将是纳米声乐发展中急需要解决的问题。关于上述声频转换，目前有两种可能的思路：一是将频谱通过调频电路等直接转换为声波；二是发明一种可以直接收听纳米乐器弹奏的频率自动转换 “耳机”。
        3. 纳米技术与音乐学科之间的差异--纳米声乐艺术发展的另一大障碍
       目前，掌握了纳米结构发声技术纳米科学家并不多，但他们不懂音乐；音乐家乐理知识丰富、技能娴熟，但对深奥的纳米技术及其设备往往一窍不通。这种纳米技术与音乐学科之间的巨大差异对目前想从事纳米音乐创作的“纳米门外汉”来说，的确有些“天方夜谭”。不过，艺术家和纳米科技工作者通力合作，各取所需，共同发展纳米艺术，似乎是一种不错的思路。事实上，现在已经出现了一些专门从事纳米艺术的艺术家和专门从事纳米科技的科学家合作的成功范例，如，2007年受到英国《Nature》杂志高度评价的“Nanoart: seeing the invisible”一书的作者――纳米艺术家Scali 和Goode。他们的成就很大程度上要归功于他们的合作者：Turin工业大学的纳米科学家Fabrizio Pirri。若没有Pirri教授提供实验设备、实验条件与协助，很难想象Scali 和 Goode会有今日的成就。 
        4. 纳米乐器的制备
       要演奏出音乐，乐器必不可少。然而，要制作出一个能发出声来的正真意义上的纳米乐器却是一件极其困难的事。目前，美国康奈尔大学的科学家们已经利用粒子束刻蚀技术制作出了外形与宏观乐器相似的硅纳米鼓、纳米竖琴等所谓“纳米乐器”，但由于技术原因，这些器件离奏乐还具有相当远的距离。因此，纳米声乐要取得突破性发展，必须制备出正真意义上的纳米乐器。