在自然界中，從1納米到1微米這個僅僅一個微米大小的尺度空間裏，蘊藏著一個極其豐富的色彩斑斕的神秘世界。說它神秘，並不言過。因為在尺度大於1個微米的空間裏，就是我們常說的宏觀世界，那裏所發生的自然現象💃🏽，理工科的學生在大學一年級的課程裏就學得清清楚楚⚠：在運動力學上🕤，早已有牛頓的三大運動定律來描寫👨🏼🏫；在熱力學分子運動學上，早已有熱力學三大定律和波爾茲曼分布來解釋🤸♀️；在電磁學和電磁波傳播方面♚，麥克斯韋方程已經做了完整的歸納。在尺度小於1個納米的空間裏🪄，就是我們常說的微觀世界🧈，那裏所發生物理過程，我們在大學二年級的課程裏也學得滾瓜爛熟🕝：那裏發生的微觀物理現象，遵從量子力學的薛定諤方程（Schrodinger Equation）👨🏻🏫。而偏偏在那1納米至1個微米（或者亞微米）的尺寸裏▶️，通常說的介於微觀與宏觀之間的介觀世界✭👳🏽♀️，那裏所發生的物理的，化學的🎰，生物的自然現象，一直沒有被科學家廣泛地直接探究過🚰。
隨著上個世紀80年代納米技術在國際上的廣泛興起和快速發展，人類開始有能力來製作納米尺度的結構，構建納米尺度的介觀世界👩👦，進而具備探究納米結構和納米系統的條件、工具和方法，自然界中這個神秘的納米空間♓️，才被我們逐漸地廣泛認識✅：原來這個尺度裏發生的（物理）現象👨🎤，實際上是微觀量子的和宏觀經典的混和共存狀態🧜🏻🔇。而且🤿，這個介觀世界的特性具備著它的左鄰右舍（微觀世界和宏觀世界）所沒有的兩大特點。第一個，就是它的強烈的尺寸效應。如果一個人拿一把標尺，從1個納米開始，向一個微米方向滑動，他會發現👸🏽，不同尺寸的納米結構，表現出了截然不同的自然現象，當結構尺寸逼近1 納米時👸🏽，展現出更強烈的量子物理現象，而當尺寸靠近1個微米尺度時，宏觀的經典物理開始主宰這個系統的特性。第二個，介觀世界裏發生的自然現象，同它的邊界條件（即結構的表面狀態）密切相關。這兩個特性的存在🗳，就使得這個空間充滿著千變萬化的物理神奇🥡，決定了納米技術同納米藝術緊緊相連🧑🦼。
納米技術的誕生，不亞於電子的發現🏸，對於整個人類的生活和一切活動，帶來了翻天覆地的變化。個人電腦☛，數碼相機🤦🏻♀️，手機，iPAD，DVD🫠，衛星導航系統，因特網，通訊技術，遙感技術，生物仿生，醫療保健，環境監測與保護，新能源開發利用，等等一切應用，都是由納米尺度（1納米至1微米）的結構所具有的物理的，材料的，化學的和生物的特性所決定的！
納米科技的發展🏋🏻♀️，也給人類帶來一個全新的文化👫，即納米藝術。這表現在下面幾個方面：
第一👩🦳、小就是美。
原先非常粗大笨重的一個元器件（比如無線電收音機裏的真空電子管），通過納米加工技術，將其改進為肉眼無法看見的納米尺度的半導體晶體管，使其放大率和靈敏度大大提高，同時功耗大大縮小。這樣的一個技術，就是一門藝術。另一方面，在搭建這些三維的納米結構的實踐中，僅依賴現代化的光刻儀器是遠遠不夠的。對於工藝技術和工藝步驟的設計和優化，來實現所需要的納米架構👱🏽♀️，更需要經驗和智慧的投入，甚至於藝術般的思維方式。舉一實例👨🏿💻：
圖1展示的是我在2000年在英國格拉斯哥大學工作期間⚆，設計製備的30納米尺度的T-形柵，應用在高頻微波通訊技術上🪯👐🏼。這個尺寸在當初屬於國際上最小🏌🏿♂️。T-形柵的材料是金屬。因為這個結構具有頭重腳輕的特點🧑🏼🚒，其機械牢靠度較差，為了提高其機械強度👩🏼🏭，我特意引進了納米腳手架概念，即用一層40-60納米厚的氮化矽來支撐T-形柵，使得這個高高聳立的柵電極不至於倒下📏。這樣的結構，不僅首次實現了30納米的T-形柵極，也同時具有很強的藝術觀賞性。諸如此類的結構🫲🏻，由於是處在了納米尺度的範圍，要求每根線條都是那樣的精細🍄🟫，每個洞孔都是那樣的圓滑，差幾個納米都有可能改變結構的物理特性（尺寸效應）。這就需要精湛的加工技術和巧妙的設計才能實現。人們常將納米結構同宏觀世界裏的大尺寸工具相類比📪，並冠以納米字樣🧙🏿，比如🏧，納米橋，納米隕石，納米星球🚴🏻♂️，納米腳手架，等等。
圖1：SEM照片🧎🏻♀️➡️。30納米腳寬的T-形柵用納米腳手架支撐著🫲🏼。
通過這個範例🏃♀️，我們認識到，一個搞工藝研究的科學家🚹，其工作本身，就是一門藝術性極強的科研工作！這同其他從事工程建設項目的工作人員是類似的🧖♂️。比如，造房子，架橋梁，開渠道🤏，挖運河，修梯田🎬，等等，都是要達到安居樂業🙂↔️，美化家園，改造山河的目的。這些工作者，常被譽為能工巧匠。這裏的巧🥏，並不僅僅是做出一些具有觀賞效果的結構🎩，而是利用人類對於自然界中的一些物理原理🫴🏻，比如力學原理，來設計和構造出打破傳統常規的建築，這樣的創新不勝枚舉。南京中山陵的無梁殿🩸，中國古代人建造的雙曲拱橋，悉尼的歌劇院等，都是利用了力的分解原理，來實現超乎常規想象力的結構👨⚕️。這樣的工作，就是一門藝術🏇。
第二，通過納米科學和技術，利用納米領域發生的自然現象（光的現象），來構築人工設計的納米結構👩🏻🦲👩🦼➡️，實現由納米結構作為基本單元的具有藝術效果的工藝品。
當前納米技術在藝術加工方面最成功的應用是在平整的表面上製備出周期性的或者準周期的納米尺度的結構，學術上稱為光子晶體（photonic crystals）或者準光子晶體( quasi crystals)。這裏的平面主要是指二維的表面🙍♂️。這個周期處在可見光波段（300-700納米）🧑🏽🍳，使得光在這些結構上發生折射，衍射或者散射，要麽出現光在波長上的選擇性反射或者透射，在表面形成各種花色和圖形🙍🏽♀️🧖🏻；要麽形成幹涉而對人眼顯現出三維立體結構（這種三維結構並非實際存在）👨🏿💼，從而達到一定的藝術效果🧑🍳。值得一提的是🍍，在這方面的技術工作中🚣♂️👩🏻🦯，充分利用了人眼（天生的）視覺差，來起到以假亂真的效果👵🏻。這個方面的納米技術主要有兩種，一種是通過多光束的幹涉，來製備三維光子晶體，但這方面的工作在理論上已經成熟📌，技術上還遠遠沒有突破🚞，而且製備工藝和光刻條件要求非常高，成本也太高，離開實際生活中的應用還有相當大的距離🌔。另一種是通過仿生學，采用化學合成等手段😮💨，來製備出納米尺度的具有一定規律排列的顆粒層，通過表面這層顆粒同光的相互作用❔，來實現藝術效果🎽。這個方面的基本原理就是利用了自然界普遍存在的結構色🦌⬜️。一個範例就是在仿生學方面🚴。國內外仿生科學的多年研究揭示🈲，自然界中色彩斑斕的昆蟲（如蝴蝶），魚鱗🤷🏽♀️，鳥羽毛等，都是由於其表面有規律排列的亞微米尺度的結構對光的選擇性閃射🐂🔥，幹涉和衍射造成的，而不是材料本身的色素（化學色）造成的。這樣產生的顏色有別於化學色素產生的顏色，科學術名🧓：結構色🧖🏼。目前，國內外已經開始了微納仿生技術的研發，在材料表面形成結構色，取代化學色𓀙，並正在應用到工業生產之中🤕。利用這樣的結構色，可以製備出特別鮮艷的包裝紙和藝術品👩🦽。這個技術，也已經廣泛地被應用在仿偽標記上🫘，比如，銀行卡、身份證🧘🏽♀️、紙幣🔮、昂貴名牌時裝、名牌手表🧛🏻，等等。以上所舉的，是利用所謂的納米光子晶體結構來實現對於光的調製，達到藝術效果。還有一個更加令人神往的納米科學與加工技術🖖🏼，就是通過現代光學新的理論，來設計製備一些自然界不存在的周期性結構，即所謂的超結構材料（metamaterial）。其納米結構的周期小於光的波長。如圖2a所示，這樣特別設計的圖形製備在石英玻璃上🙋🏻🧑🏼💻，表面再鍍一層金屬。通過調節納米結構因子⛲️，可以實現某個波長的共振吸收，從而實現對顏色的控製和調節（圖2b）[1]❄️，實現了藝術上的效果。從理論上說⬅️，這樣的共振吸收同材料的折射率有關✌🏿，因此，任何玻璃材料或者塑料等都可以被納米加工後用來對光線作調製，達到沒有染料的染色的目的。直接應用就是昂貴的珠寶和磚石的無化學染色。另外一個應用例子，就是西方教堂窗戶玻璃的著色🚴🏻♂️。圖3a裏的照片是法國巴黎聖母院（Notre Dame, Paris）🪲。請註意那教堂的大窗戶（圖3b），從外面看🔄，沒有明顯的光線反射，因為在建築時😋，建築工匠在玻璃表面塗上了一層彩色玻璃透明塗料🧜🏿♂️，其厚度的選擇剛好使得陽光絕大部分被透射進教堂。這樣，從裏面看玻璃窗，就顯得五彩繽紛👨🏼🎨🎺，明亮耀眼（圖3c）。但是，這樣的塗料🚴♂️，隨著風燭殘年，經歷了幾個世紀後，都紛紛脫落👦🏿，必須不斷修補🩺。這麽大的一個教堂♿️，唯有兩個玫瑰形窗戶上的玻璃塗料（圖3c），還是保持原先建造時的樣子。而其它所有窗戶🩷，都已經是後來不斷更新的。現在🤞，有了我們的納米技術，可以在玻璃片表面容易地構築如圖2a所示的結構🏊🏽，然後廉價地電鍍一層金屬🪚👩🏿💻，就可以得到對玻璃的染色。由於結構是納米的🤵🏻，實現超精細的圖形。
圖2。超結構材料及其對於光的調製作用
圖3。法國巴黎聖母院和教堂的窗戶玻璃。
第三，通過納米加工上的一些特殊手段🧑🏻💻👨🎨，來表現納米加工的藝術性
這些特殊手段非常廣泛🤸🏽♀️，包括實驗中的一些偶然現象📖：一些失敗的結構🤾🏼，樣品表面的一些納米灰塵或者殘留水跡，自然結晶體的納米結構。比如，圖4中顯示的🧘🏿，是一粒樣品表面的灰塵。但在SEM照片中🪆，其形貌酷似一輛電瓶車，因此👐，在充分發揮想象力下💴，這個灰塵變成了一輛納米電瓶車。
圖4. 納米電瓶車
此外🙇🏿，通過藝術加工方法，比如PS方法，在一些SEM照片中✍️，做一些藝術加工，來表達一些與這樣的結構有關的自然現象。這裏舉一例：圖5中展現一個彩色的平面準光子晶體。納米光學科學家的最新研究發現，光線在傳播中，有一個超級振蕩效應🤦🏻：將光譜用有限個正弦波來做線性組合，總能夠找到一個振蕩分量，其振蕩頻率可以任意高。這就是最近幾年才發現的波的超級振蕩理論[2]🚖。這個理論在2007年被英國科學家在平面準光子晶體中（圖5）用實驗證實[3]。
圖5. 用電子束光刻在石英上製備的具有準周期特性的準光子晶體。光子晶體的材料是鋁。SEM照片是黑白的。彩色是通過PS手法加工而成🐜🖨。其藝術加工的目的就是要表達🎇：這樣設計的準光子晶體⛹🏽♀️，實現了對光線按照波長的分離（傅裏葉變換）。
因此，在欣賞某些納米藝術品時，還必須具備一定的基礎知識🏵，才能完全真正的了解納米藝術所表現的真正內涵。
值得一提的是👩🦰🩸，采用這種特殊手段進行納米藝術表現是最常見的🤦🏿♂️。它並不要求做出非常精細的納米結構，往往是通過作者的豐富的想象力♊️🫖，來展現其藝術的一個側面。舉一個具體的例子，圖6是在一個矽片表面的一個小水滴蒸發後留下的痕跡。在SEM下🔮，這個小痕跡猶如星球表面被飛來的隕石所擊中。
此類納米藝術表現方法由於成本低廉，加上沒有必要采用先進昂貴的實驗室儀器和設備，得到了極其廣泛的青睞😦。為此，一些重大的年度納米技術國際會議，都專門設有一個微納顯微照片比賽（Micrograph contest）。在這樣的比賽中🤸🏻，反映精美的納米結構可以得獎🧑🏼🤝🧑🏼，而一些反映失敗結構的照片🖖🏿🧔🏿，配合以奇妙的構思和描寫，照樣可以獲得殊榮🧑🏼🔧。例如，在2008年在美國召開的國際電子束、離子束和光束會議（EIPBN2008）,簡稱三束會議，一幅主題為“生命的開始”的SEM照片（圖7）由於構思極其巧妙而獲得頭等獎。
圖6.納米隕石
圖7，這個照片的主題是“生命的開始”。而實際上，這裏的結構是在矽材料上製備的光子晶體，與生命科學毫無關系🤳。作者將這樣的一個結構🫴🏼，奇妙地想象為生命的開始，從而獲得了那屆國際會議的比賽頭等獎。（照片下載於EIPBN2008網站）
納米技術要構築的世界是一個豐富多彩的介觀世界。在這個介觀世界裏所發生的一切自然現象，正在被人們廣泛的應用於我們日常生活的每一個角落🤦🏻♂️。它的成功🤣，將大大地提高我們的生活質量，增強人們的體質，提高農業產量，確保食品安全，維持社會安定，保護人類的生活環境，解決地球的資源問題。因此，我要說的是💁♂️，納米技術本身，就是一門藝術🔗。