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发丝表面艺术及其创作(科普原创) 精选

已有 6513 次阅读 2010-12-9 20:41 |个人分类:纳米科技|系统分类:科普集锦|关键词:学者

沈海军 
要: 发丝表面艺术指的是利用传统的手工微雕/微画工艺,或先进的微纳米加工技术,在头发丝表面进行微观创作的艺术形式。根据不同的角度,发丝表面艺术有不同的分类。目前,常见的发丝表面艺术创作技术包括手工创作、离子束(FIB)刻蚀技术、离子束化学气相沉积(FIB-CVD)技术、双光束聚合技术等。发丝表面艺术要发展,需要克服尺度、微观控制与定位、创作工具、科学与艺术素养的统一等几大瓶颈。
关键词:发丝表面艺术,微雕,微画,微纳米加工
 
一、引
人类社会的不断进步,使得毛发的御寒功能基本褪尽。当人类步入文明社会后,美发、烫发、发型、染发、理发…等词汇的出现,凸显了头发的美化装饰作用[1]。“明察秋毫”、“细如毫发”,这些词汇经常被用来描述事物细微、不易觉察;同时,也体现了头发极其细微这一特征。
二十一世纪,地球上的不可再生能源日益紧缺,原材料不断减少。用极少的原材或代价生产更多的产品,已成为人们追求的目标。现在,随着科学技术的不断发展,特别是纳米技术的飞速发展,小型化和微型化也已成为艺术创作的一种时尚[2]。以雕塑为例,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,在针眼里成功雕刻了“亨利八世和他的六个老婆”,人物身高1毫米不到;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=109米=106毫米=103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。这里,陕西乾陵的参拜石像高度约为“分子人”高度的三千万倍。
对于一般人来说,发丝是极其细微的。但在显微镜下,发丝的表面仍有很大的艺术发挥空间。现在,借助显微镜和先进的微纳加工技术,一些科学艺术家已经可以在单根头发上进行塑像、雕刻、绘画等,充分彰显了微纳科技与艺术的高度结合。这里,我们不妨将发丝上的这种微观艺术创作通称为“发丝表面艺术”。发丝虽小,但已足够为科学艺术家的创作提供“广阔”的平台。

 

二、发丝表面艺术的主要形式
发丝表面艺术是近些年来才引起人们广泛关注的一种微型艺术形式。基于不同的角度,发丝表面艺术有不同的分类。从表现形式来讲,发丝艺术作品可分为塑像、绘画、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—“爬发丝的猫”[3],猫身体、尾巴、四足等的粗细和发丝的直径相当;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”[4];图4则显示的是美国麦克马斯特大学Ray LaPierre教授采用所谓的“镓离子束聚焦”刻蚀工艺,在头发丝表面“刻划”的麦克马斯特大学校徽[5]
从制作工艺上来看,发丝表面艺术作品可分为基于传统手工的作品和基于微纳加工技术的作品。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。基于微纳加工技术的作品如图4所示,还有图5所示的日本学者松井真二采用FIB-CVD(聚焦离子束-化学气相沉积)技术在发丝表面上构造的三维体育场[6]。基于微纳加工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。
从发丝艺术作品的创作机理来看,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所示的基于微纳加工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。这些发丝表面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,发丝表面艺术作品可分为百微米量级的以及微纳米量级的两大类。一般来说,传统手工创作的发丝表面微雕或微画都大都属于百微米量级的,如图2“爬发丝的猫”和图3“发丝上的美国总统”,这些作品的特征尺寸都与发丝直径相当,为几百微米。基于微纳加工技术的雕刻或塑像则大多都属于微纳米量级,如图5所示,该发丝表面的体育场的高度为几微米,但体育场的柱子和横梁的直径却仅有百十纳米。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。
 
三、发丝表面艺术创作的相关技术
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。他们的发丝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“爬发丝的猫”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。猫雕刻完成后,再移植到发丝上。整个过程,包括作品的欣赏都需要借助光学显微镜来完成。再如,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[7];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,传统的手工发丝微雕/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,进而可对发丝的表面进行刻蚀,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[8]。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在发丝表面开展纳米雕刻艺术创作。
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的聚焦镓离子束在发丝表面进行化学气相诱导沉积[9]。目前,利用该项技术,松井真二已经在发丝表面制作了多个三维的纳米结构(雕塑)。如图6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;最终在发丝表面构造出复杂的三维纳米结构(塑像)来。图5“头发上的体育场馆”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],并被用于发丝表面塑像的构建。这里,最为典型的当数德国科学家Ovsianikov的雕刻作品--“头发丝上的纳米维纳斯像”,见图7。该塑像高度仅为红血球直径的四倍,身高约40微米,腰围约20微米。
在纳米维纳斯像的制造过程中,Ovsianikov使用两股激光射线照射浸在合成树脂溶液中的一根发丝的表面,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。
 
四、发丝表面艺术发展的瓶颈
1. 尺度--制约发丝表面艺术发展的最大障碍
我们经常遇到的艺术家,绝大多数都是搞宏观艺术创作的。然而,要将一粒米、一根针、甚至一颗灰尘变成艺术品,这样的人却是凤毛麟角。实际上,微尺度应该是发丝表面艺术发展的最大障碍。典故《纪昌学射》中曾描述这样一个故事:神射手飞卫要求徒弟纪昌整天盯着牦牛丝吊着的虱子,长年累月,直至纪昌将发丝上的虱子看得像车轮那么大,纪昌的射箭技艺遂成。从事发丝表面艺术也存在类似的道理。首先,艺术家要先借助显微镜,反复在发丝上习练,充分掌握发丝表面的雕刻绘画工具、刻划绘画技巧和发丝的表面特性;其次,要练就自身的艺术修养和艺术创作基本功;最后还要保持坚强的毅力和足够的耐心。要记住,一个微观的艺术家,必须首先要是一个优秀的宏观艺术工作者。
2.微观控制与定位
和传统的手工微雕、微画相比,基于微纳加工技术的发丝表面创作有望得到分辨率更高、尺寸更加精细的艺术作品。然而,即便是对这些微纳加工技术十分娴熟的人要想创作一件像样的发丝艺术作品,也是一件非常困难的事。首先,离子束光刻机或激光发生器要受计算机精确控制和定位,所成的像要准确无误地落在发丝的正中央表面;其次,要在发丝上离子束刻蚀,或构建塑像必须要严格控制实验的条件,如离子束能量太大,发丝就会烧毁,能量太小,则难以形成清晰的作品等;最后要说的是,微纳加工成像过程中(或创作完成后),必须要用电子显微镜跟踪、观察成像的效果,而电子显微镜是一件极其昂贵的设备,且只有受过专业培训的人才能“玩得转”。
3.创作工具与宏观创作的差异
和宏观的艺术创作相比,发丝表面艺术的创作工具已经大相径庭。这也是阻碍发丝表面艺术发展的一大障碍。宏观艺术创作经常用画笔和刻刀,然而基于微纳加工技术的发丝表面创作却完全依赖离子束光刻机或激光发生器等专业设备。即便是基于传统的手工发丝微雕微画工艺,刻刀、画笔也完全不同,这些刻刀和画笔通常要比发丝还要细很多,且基本上都是艺术家自制、专用的。值得一提的是,不管是传统的手工发丝微雕/微画,还是基于微纳加工技术的发丝表面艺术作品,都要借助高倍光学显微镜或电子显微镜来成像。
4. 科学与艺术素养的统一
随着纳米技术的不断发展,新的微纳加工设备不断出现,为发丝表面的艺术创作提供了更多的技术手段和途径。然而,掌握着这些先进微加工技术的人却常常不是艺术家,而是科技工作者。科学家拥有技术,拥有设备,但对艺术比较生疏。大多数艺术家在宏观世界上拥有很好的才艺,但面对一大堆高深的纳米仪器,纵然也是无从下手。要创作出更多更好的发丝表面艺术作品,科学家应义无旁贷,不断加深自己的艺术修养;当然,艺术家和艺术家进行联合创作,优势互补,也是当前发展发丝表面艺术的绝佳途径。
 
[1] 林叶亭. 发饰达人. 当代世界出版社.2007
[2] 沈海军,时东路. 纳米艺术概论. 清华大学出版社.2010
[6] 搭建在一根头发上的体育场馆, 沈海军的纳米艺术网站.http://nanoart.lingd.net/article-2146520-1.html
[7] 金银华微雕微画艺术. http://www.worldartmiracle.com/
[8] 沈海军. 纳米科技概论. 国防工业出版社.2007




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