微观世界的科学美

冯操

在材料科学的研究过程中，发现了许多材料在微观尺度上都有许多美的展现。本文通过几个具体的实例论述了微观材料世界的科学美。

我们周围的的世界无论哪里都充满了材料，而这些材料也是五颜六色，形形色色的。几千年来，古代科学由于不够发达，缺乏审美的丰富要素和坚实依托，古人发现了材料具有线条和图形的几何学的美。几何学是展示自然（科学）之美的最好语言，它体现了对称、秩序和不变性的审美要素。随着科学的发展，人们对材料的认识，从粗略的外形，简单的加工，精细的雕琢到深入的剖析研究，慢慢的形成了从材料形状，性质，构成一系列的研究学科“材料科学”，我们通过长久的研究掌握了很多材料的复杂的内部结构^[1]。

1959年美国物理年会上，著名物理学家理查德·费曼提出一个设想：“如果有一天，我们能够按照人的意志排列组合一个个原子和分子，那将会现什么样的奇迹呢?”虽然这在当时只是一个十分美好的梦想，但随着时间的推移和科学技术的发展，这个原本看起来不切实际的梦想正在逐渐成为现实。1984年，德国科学家格雷特首先制成第一块金属纳米材料，这成为同年在柏林召开的第二届国际纳米粒子和等离子簇会议上的热点议题。而1990年召开的第一届国际纳米科学与技术会议，标志着纳米科技——人类科技史上的一个美丽、神奇的微观新世界正式诞生。海森伯说，美的王国远远延伸到艺术领域之外。它无疑也包括纳米科学在内的其他领域，自然美也反映在自然科学的美之中。在纳米材料科学中，丝毫也不亚于在艺术中，美是启发和明晰的最重要的源泉。爱因斯坦也表明：在技艺达到一个出神入化的地步后，科学和艺术就可以很好地在美学、形象和形式方面结合在一起。伟大的科学家也常常是伟大的艺术家。经过二十年的飞速发展，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，并派生出纳米材料学、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、纳米力学等诸多主流学科分支。其中，纳米材料学是纳米科技的基础。纳米材料的定义是在三维空问中至少有一维处于纳米尺度范同或由它们作为基本单元构成的材料。现如今，纳米材料正在逐渐进入人们生活的各个方面，包括食品、服装、居家、医疗、交通等，纳米材料所显现出来的神奇特性和功能吸引了广大科学家甚至普通人^[2]。

在我们的认知中，很多材料看起来样子平淡无奇，颜色也很普通，但是当我们从不同的角度和尺度上再去观察，我们会发现材料的结构一层套着一层，从肉眼可见到肉眼不可见的，一些平淡无奇的材料从显微镜里，从电子透镜中观察到的样子令人惊奇。比如有原子结构构成的位错，晶体，纤维，支架，凝胶等就像不同色彩绘出来的画，各式各样，精彩绝伦。当我们用不同的方法去制备和观察这些材料时，我们会发现微观材料的世界与宏观世界有异曲同工之妙，一样的五彩斑斓，一样的美轮美奂。可以先看看几个有趣且美丽的例子。

石墨烯是二十世纪以来重要的发现之一,由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，在微观的状态下，表面出现了像波浪一样的起伏，来维持热力学稳定。下面左图就是独特而美丽的二维晶体结构石墨烯。右图是多孔石墨烯的SEM图片，由900℃处理聚苯乙烯/氧化石墨烯自支撑膜获得。

下图的名字叫做“一个人的沙漠之夜”，是由三张不同焦距拍摄的碳化硅纳米线阵列扫描电镜照片复合而成。利用NovelX mySEM低电压成像系统，近焦和远焦图像用标准的背散射模式，中间范围的图像，使用拓扑模式拍摄，以便获得硅“沙丘”状的浮雕图像。使用Photoshop将这三个图像合并，上色。这一场景的名字来自WaltWhitman的诗，它描述了宇宙和自然之间的关联，“vast similitude that interlocks all。”虽然我们的工作是关于纳米级世界，但我们的努力影响着人类与宏观世界互动的方式。同样，我们在纳米世界能够找到宏观世界的倒影。

下图叫花间嬉戏的蝴蝶，是高性能有机半导体晶体薄膜的一个偶然的形态。偏振光下的晶体双折射给有机的蝴蝶在分形状的花间嬉戏的这幅画涂上生动的颜色。液晶母相有两种晶型转变，一种是花状不规则分形样式，另一种是变成亚稳态球晶，也就是图片中像蝴蝶的部分。

下图作品将一个受限在两个相邻纳米线之间的电子艺术化，取名量子河流。温度条件为77K，超真空条件下，含有金的纳米线在镉（001）面上扫描隧道显微镜照片。纳米线通过在原子级别净度的镉（001）面上沉积单层纳米金制备，随后在超真空条件下，650±25K热处理几分钟。纳米线相互之间的距离是1.6nm，是单维结构的实例。它们把电子限制在纳米线之间的低谷内并证实诸如Tomonaga-Luttinger液体行为等量子行为。

20世纪法国女神秘主义者、社会哲学家韦伊（Simone Weil）曾经这样写道：“科学的真正主题是世界之美。” 韦伊提出的命题虽然简短，但是却富有深意。的确，科学是理智的诗歌，科学研究是一门艺术，科学本质上是艺术事业。^[3]从上面美丽的微观世界中，我们看到了和我们不一样认知的另一个世界，它有着和我们现实世界一样的美丽和精彩。在科学发明或科学发现的过程中，在对科学的学习和鉴赏中，人们能够在精神上获得审美的愉悦或理性的惊叹，并体验到类似宗教般的赞赏和敬畏之情。在审美的高峰体验中，人们热爱和迷恋科学。同样在审美的高峰体验中，人们出神入化、物我为一，从而有可能洞察实在本质，把握宇宙的韵律。皮尔逊说得好：“在我们人的存在中，有一种无法用形式的推理过程满足的要素；它就是想像的或审美的侧面，诗人和哲学家求助于这个侧面，科学要成为科学的，也不能无视这个侧面。” 由此可见，科学与审美的关系是密不可分的，科学审美是科学活动的一个不可或缺的组分，很有必要加以探讨。总之，材料是美丽的，科学是美丽的，只要我们用我们的理性去探究科学，用我们的感性去发现科学的美，我们会发现，科学不是枯燥无聊的，科学是一个美丽的新世界。