海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

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微纳米艺术之微纳米地图(配图.科普) 精选

已有 7351 次阅读 2011-9-13 16:19 |系统分类:科普集锦|关键词:学者

沈海军 

从地理学来讲,地图是指按照一定的法则,有选择地以二维或多维形式与手段在平面或球面上表示若干现象的图形或图像,它科学地反映了自然和社会经济现象的分布特征。然而,我们这里讲述的微纳米地图则和宏观的地理学地图截然不同,它们的尺寸通常仅有几毫米、数微米、甚至几百纳米。这些地图如此之小,肉眼无法分辨,常常需要高倍的光学显微镜、电子显微镜,甚至扫描探针显微镜才能看得清楚。由于微纳米地图的尺度很小,因此,除了地图轮廓以外,几乎不包含自然和社会经济现象的分布信息。

近年来,笔者作了一项调研。据不完全统计,业已报道的微纳米地图已达到十余幅。那么,研究者们为什么要报道这些不包含自然和社会经济信息的微纳米地图呢?这些微纳米地图到底有什么用?归纳起来,主要原因有两点。首先,对于地球的各大陆板块,以及中、美国等大国,其版图轮廓一般人脑海中都有一个大致的印象,因此,一些纳米科学家便利用纳米科技手段绘制出本地区/国家相应的微纳米地图,借助地图本身的“知名度”,使其成果更容发表,更容易产生轰动效应。当然,这种轰动效应包括科技影响,有时也包含一定的政治效应。其次,随着微纳米艺术的兴起,微纳米地图已经成为表现微纳米艺术的一个重要题材。在近年来的各项微纳米艺术展、科学图片/摄影大赛中,微纳米地图作品频频出现,并取得了优异的成绩[1,2]。一些微纳米地图甚至被高价拍卖,成为艺术爱好者收藏的珍品。

在本文中,我们将着重介绍微纳米地图的分类和制作技术,以展示微纳米地图背后的微纳米技术与艺术魅力。

 

1. 微纳地图的分类

微纳米地图是近些年来随着纳米技术的发展才出现的新生事物。基于不同的视角,微纳米地图有不同的分类。从立体程度来讲,微纳米地图可分为平面的和立体的两大类。如图1所示,这是中科院化学所的科学家,利用扫描隧道显微镜(STM)探针针尖在石墨表面施加电压,从而刻蚀的平面纳米级中国地图,地图的线粗细约为10纳米,整体尺寸为数百纳米[3]。图2则显示的是美国IBM公司科学家近日研发的3D纳米世界地图[4]。它到底有多小呢?生活中的一颗盐粒就能包含1000幅这样的地图。 3D地图基于高分子聚合物的表面,整体尺寸约为22´11微米,共包含50万个像素,每个像素的面积为20平方纳米。现实中海拔1000米的山脉在该地图中的只有8纳米高,换句话说,该地图上,世界第一高峰珠穆朗玛峰的高度也只有64纳米。

从地图的尺度来讲,微纳米地图可分为毫微米量级、微纳米量级以及纳米级的三大类。如图3所示,这是英国纳米生物咨询中心(BNC)科学家的杰作“世界上最小的伦敦地铁交通图”[5]。该地铁交通图为毫微米量级,材料基体为单晶硅,整体尺寸为3´2毫米,地铁线路的线宽为几十微米;由牛津激光雕刻系统加工而成。图4 所示的是一张微纳米量级的世界地图[6],电子显微镜成像;作者为比利时根特大学光学中心的科学家;该地图采用微电子中传统的光学平板印刷技术,地图的比例尺为一比一万亿,赤道的长度为40微米左右;在该地图上,朝鲜等国的版图仅有几百纳米。图5显示的是一张纳米量级的世界地图[7],是美国科学家采用电子束诱导沉积技术在氮化硅薄膜上沉积的钨纳米地图;地图的赤道长度仅有230纳米。

从地图所反映的地域来讲,微纳米地图又可分为微纳米世界地图、洲地图、国家/地区地图和交通图等。微纳米世界地图、国家地图和交通图分别见图5、图1和图3。而图6和图7则分别给出的是台湾地区的纳米地图[1]和非洲大陆的纳米地图[2]。这两幅地图分别为2006年台湾微观图像大赛和首届国际纳米艺术展的获奖作品;它们均采用扫描隧道显微镜探针施加电流,分别在金属钛和硅表面绘制而成的;地图均通过扫描隧道显微镜成像,整体尺寸均为几百纳米左右。其中,图7纳米非洲的作者是两位知名的纳米艺术先驱意大利的Alessandro Scali和南非的Robin Goode

从材质来看,微纳米地图又可分为半导体材质、生物材质、聚合物材质、金属材质和碳材质的地图等几种,其中,半导体材质的为纳米地图最为常见,如图3 “伦敦地铁交通图”、图4的“世界地图”、图7的“非洲地图”。聚合物材质、金属材质和碳材质的微纳米地图分别见图2的“3D世界地图”、图6的“纳米台湾”以及图1的“中国地图”。图8显示了一张生物材质的纳米中国地图DNA中国地图” [8]。该DNA纳米中国地图的作者为上海交通大学的科学家,地图的材质为生物的DNA链条,采用的技术为一种先进的纳米技术DNA折纸术”,地图的整体尺寸约为几百纳米。

从微纳米地图的创作机理来看,又可分为基于物理方法和基于化学方法的作品。严格地讲,图1~8的地图都属于基于化学方法制作的微纳米地图,因为在它们的制作方法中,都涉及到材料的氧化、聚合物的分解、腐蚀冲洗、化学气相沉积或DNA的聚合反应等。相比之下,图9的“纳米台湾”则是一彻头彻尾的基于物理方法制作的纳米台湾地图[1]。该地图也是2006年台湾微观图像大赛的获奖作品。作者采用原子力显微镜(AFM)探针针尖在铜晶体表面刻画而成,并用AFM成像。

 

2. 微纳米地图的制作工艺

1)光子/电子/离子束刻蚀技术

所谓光子/电子/离子束刻蚀技术,就是用高能的光子、电子或离子束轰击、“灼烧”材料的表面,使材料表面局部蒸发或发生化学反应,从而形成微纳米图案、图形的技术。和光子相比,电子和离子的德布罗意(物质波)波长更短,因而刻蚀精度更高。图3以及图1、图6和图7分别显示了光子束和电子束刻蚀的微纳米地图。这里,我们再展示两张离子束刻蚀的微纳米地图“微纳米美国地图”和“美国德克萨斯州地图”[9],分别见图10

10的两面微纳米地图的作者均为美国德克萨斯大学电子工程系的研究生Jang-Bae JeonCarlo Foresca。事实上,他们作品展示的重点不是“地图”,而是两面“纳米旗帜”“纳米美国国旗”和“纳米德克萨斯州州旗”。但是,我们注意到,这两面“纳米旗帜”分别竖立在两幅纳米地图--“微纳米美国地图”和“美国德克萨斯州地图”上。这是两幅地图只有在电子显微镜下才能看得见。地图的长度约为人发丝的1/5,即3-4微米左右。为了制造该纳米地图,Jang-Bae JeonCarlo Foresca采用聚焦的镓离子束轰击晶体硅的表面,从而在硅表面形成了微小的美国和德克萨斯州。

2DNA折纸术

2006年,美国加州工学院纳米科学家Rothemund博士创造出了一种被称作“DNA折纸术”的纳米技术。采用这种技术,Rothemund已经成功“绘制”了纳米笑脸、纳米五角星等图案,并在英国自然杂志上发表。DNA折纸术的制作工艺可大致描述如下:从M13噬菌体中提取DNA单链;然后,通过计算出短的DNA单链并着手人工合成;接着,将DNA单链与合成好的DNA片段混合后退火,最后得到一个个设计样式的DNA超级大分子,即最终的DNA图形。图11显示了Rothemund博士采用该项技术制作的“DNA美洲地图”[10],美洲地图的整体尺寸约几百纳米。事实上,图8中我国学者的DNA中国地图也采用的是这种制作工艺。

3)光学平板印刷技术

光学平板印刷技术(简称“光刻技术”)通过光学系统以投影方法将掩模上的电路图形""在涂有明胶的硅片上。光刻图形的最小特征尺寸与光刻系统的分辨率相关。光刻技术包括光刻机、掩模、光刻胶等一系列技术,涉及光、机、电、物理、化学、材料等多个研究领域。目前,光刻技术已发展得较为成熟,并成为微电子电路制作的常规方法。图4比利时根特大学光学中心的科学家的“纳米世界地图”就是采用了这种光刻技术,地图的材质为单晶硅。

4AFM刻画技术

原子力显微镜(AFM)刻画技术是指利用AFM探针针尖与样品之间的相互作用力,在样品表面刮擦产生纳米尺度的结构。AFM刻画技术一般要求针尖足够小、材料的刚硬度要足够大,如选用金刚石、碳化硅等, 使其不致于磨损严重。图9的“纳米台湾地图”就是作者使用美国Hysitron 公司的AFM在晶体铜表面刻画制作而成的。“纳米台湾”的尺寸500nm×1000nm。由于受到探针粗细的限制,加工路径周围发生了切屑堆积现像,从而形成中央山脉的形貌。

5)聚合物热解3D纳米图像制作技术

近来,国际材料科学顶级期刊《Advanced Materials》报道了美国IBM公司的一项纳米科研成果三维的“纳米世界地图”,见图2所示。据报道,IBM科学家完成这一创举的主要工具为AFM。该AFM具有极其细小的硅探针。探针针尖如此之小,比生活中极其锋利的铅笔尖还要细小10万倍。

借助这种探针,科学家使用IBM最新发展得纳米图案成形技术,在纳米级硅探针针尖靠近聚合物表面之前对其进行加热,在原子力和热的作用下将聚合物中的高分子材料刨除以勾勒出3D图形,最终绘制了一幅具有立体感的3D纳米世界地图。IBM科学家称,创建该3D地图的一大突破就是在于将高分子材料移除,而不是向其中添加材料。为了进一步展示该地图的立体感,除了该3D地图外,IBM公司的科学家还使用该工艺特意打造一款3D版的马特洪峰(阿尔卑斯山的主峰,高4478,如图12所示,该峰的高度仅有25nm,比例尺达到1:50亿。

6)激光/电子束诱导沉积技术

所谓激光/电子束诱导沉积技术,就是在气相环境中用高能激光或电子束辐照材料的基体表面,并诱发气相物质在特定的材料表面沉积,并形成相应的图形或图案。图5就是美国科学家采用电子束辐照氮化硅膜的表面,诱导钨在薄膜上沉积,最终形成的“钨纳米世界地图”,该项工作曾得到了美国国家自然基金的资助。图13显示的是一幅“纳米欧洲地图”[11]。该成果发表Photonics. Spectra杂志199511期,并作为刊物封页论文报道。该纳米地图采用的制作技术为激光束诱导沉积技术,即用近场光学显微镜(SNOM)的光束在有机物气氛的实验环境下扫描试样的表面,从而在扫描的地方沉积有机纤维,最终在试样表面形成微纳米级别的欧洲地图。

 

3.结

每一个科技工作者或艺术家都隶属于某一地区或国家,他们在科技、艺术战线上辛勤工作的同时,每个人心里都怀有一定的民族主义的情怀。当他们的作品在国内外知名刊物或艺术展上发表/展出时,作品上往往都要注明自己国家或地区的名字。现在,借助微纳米地图这一题材,纳米科学家和纳米艺术家已经在《Nature》、《Advanced Materials》等国际顶尖刊物上或重大国家纳米艺术展上取得了引人注目的成就。他们的名字、所属的地域/国家,连同他们的成果,以纳米地图的形式直观地呈现给世人,已经在纳米科技与纳米艺术领域内形成了一道独特的靓丽的风景线。

 

[1] http://nano.eng.tnu.edu.tw/Nano-image-20061110.htm

[2] Emiliano Feresin. Exhibition: The invisible continent. Nature 2007 449: 408

[3] http://www.sinap.ac.cn/sns/kp/nano/chap4.htm

[4] IBM研发出世界上最小的3D地图

 http://www.cnbeta.com/articles/109684.htm

[5] Neil Ravenhill London Travel – in Miniature! 2009-02-13

  http://www.free-press-release.com/news/print-1234515868.html

[6] It's a small world. 2009-12-17. http://photonics.intec.ugent.be/publications/MediaCoverage/2009-12-17/

[7] W.F. van Dorp, C.W. Hagen, P.A. Crozier. In situ monitoring and control of material growth for high resolution electron beam induced deposition, J. Vac. Sci. & Tech. B, 2007, 25(6): 2210-2214

[8] 钱璐璐, 汪颖, 张钊等. DNA纳米结构仿中国地图. 科学通报. 2006, 51: 2860-2863

[9] Nanotechnology: The science of the really really little. July 5, 2006 http://www.bivingsreport.com/2006/nanotechnology-the-science-of-the-really-really-little/

[10] Paul W. K. RothemundFolding DNA to create nanoscale shapes and patternsNature, 2006 440:297-302

[11] Klaus Dickmann, Johann Jersch, Frank Demming and Jens Hildehagen. Building nanostructures the laser way. Photonics. Spectra, 1995 (11): 80-85



http://blog.sciencenet.cn/blog-39356-485963.html

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