纳米材料的分形艺术研究范文

曼德布罗特于1967年在《英国的海岸线有多长?》一文产生了分形思想的萌芽，之后于1975年在《分形:形状、机遇和维数》一书中奠定了分形思想，最终在《大自然的分形几何》中全面阐述了分形几何学．分形几何学成立之后，经科学家不断的扩展，演化成今天较为系统的分形理论．现今的分形理论，其内涵相比于分形几何学已有所扩充，融入了非线性科学的内容，吸取了相邻学科的新内容，如符号动力学、重整化群技术等，显示出其旺盛的生命力［3］．分形理论为材料科学、物理学、化学、天文学、生物学、地理学、经济学等众多学科领域提供了一种新的认识方法．在纳米材料领域，分形理论也得到了普遍应用．纳米材料的分形结构、纳米结构的分形生长、纳米结构形成的自组织性，分形理论在纳米材料领域中展现着它的艺术之美．随着越来越多的针对于纳米材料领域中分形特征的研究，分形理论作为一种新的科学认识方法，已经逐渐体现出它对于纳米科学的价值．同时，分形特征在纳米科学中的广泛存在意味着一种深层次的科学现象，在这些现象的背后蕴含着一定的人文启示，必定引起人们关于分形艺术的新的哲学思考．

从纳米材料的分形结构看万物之“形”

清华大学深圳研究院的代大庆等人［4］用液相还原法成功制备了具有分形特征的球形纳米银结构，观察银球形颗粒，发现每一个颗粒都是由更小的与其形态相近似的颗粒组成．温莎大学的Ramo''''nA．Alvarez-Puebla和纳瓦拉国立大学的JulianJ．Gar-rido等人［5］对不同酸性条件下的富里酸溶液在纳米金薄膜上的形态进行观察，发现在偏碱性条件下呈现出树枝状的分形特征，其分枝与其主干的结构相似，如图1所示．殷景华等人［6］研究了无机纳米杂化聚酰来亚胺薄膜的表面形貌及微结构，发现薄膜具有分形特征．我国古代哲学中有“一沙一世界，一花一天堂，袖里有乾坤，壶中有日月”这句话，它隐约体现着分形思想．纳米材料的分形结构是分形的核心特征的表现，即事物的局部与整体有着相似的结构，局部反映着整体，整体又体现着局部，通过对局部的观察可以了解到整体的构造．如果仔细观察，可以发现自然界中处处都有分形思想的体现:众所周知的花椰菜，外观呈半球形的花球状，而它的花枝也是花球状，甚至花枝上更小的花枝也是如此;植物的叶脉与树枝有着相似的形态;生物的每个细胞蕴含着个体的所有遗传信息;人体内部的血管构造也呈现出惊人的自相似;雪花的各分枝与比其更小一级的分枝有相似的形态．更令人惊讶的是，遍布周身的经脉与自然界的河流构造很相似;自然界中广泛存在的电现象在人体内也存在着．分形，在这里不仅为我们提供一种新的认识方法，更重要的是透过这种分形特征蕴藏着的关于人与自然的关系的新认识．人与自然在某种程度上是相似的，这使得人们更愿意相信人与自然是相统一的．这种新的认识将加深对“天人合一”这一我国传统思想的理解．

从纳米材料的分形生长看万物之“道”

曹敏花等人［7］利用水热合成法成功制备的α-Fe2O3纳米松树枝分形结构，并且对该分形结构的生长机理进行探讨，研究发现，α-Fe2O3纳米松树枝分形结构的生长方式是以取向生长占主导地位的，而这种方式是相互嵌套的，先由主干由一定取向长出分支，分支再由一定取向长出更小的分支，如图2所示，如此不断继续，使得树枝越来越密，最后形成如图3所示的纳米松树枝分形结构．JyotirmoySarkar等人［8］曾研究在静电作用下，硬脂酸LB膜上的银纳米粒子的生长行为，研究人员通过TEM图像观察到，银纳米粒子呈分形生长的特点．北京师范大学的周固等人［9］利用原位电镜观察玻璃纳米须在高能电子束辐射下的变化情况，纳米须的生长有先后之差，但是不同时期下的生长的纳米须最后都呈树枝状，符合扩散限制凝聚分形生长模型(DLA)，并且生长过程中的速度变化情况一致，最后的纳米须长度也一致．以上纳米结构的分形生长特征使人产生思考:事物的发展是否存在一个普遍适用的规则，以使后发展的事物沿着与先发展事物相似的方式发展?哲学中有三大重演律:胚胎重演律、个体发育重演律、思维发展重演律．胚胎重演律指高等动物的胚胎发育过程重演着生物进化史;个体发育重演律指个体一生的发育重演着群体发展的历史;思维发展重演律指个体思维概念的发展，思想情感的发展成熟过程，重演着整个人类认识的历史［10］．历史的不断重演，与纳米结构的分形生长不谋而合，可以说历史的发展也呈现出分形特征．这不得不引起研究人员去探究这种具有更普遍意义的分形．早在两千多年前，老子就在《道德经》中提出关于“道”的思想:“道可道，非常道;名可名，非常名．”虽然万物有千万种姿态，但是存在着同一种“道”适用于各种事物的生长，使万物的生长遵循着这种“道”而运行、生长、变化．从中国历史上朝代不断更替的历程中可以看到，中国从夏、商、周到元、明、清，历经几十个朝代、几百个帝王，江山改名换姓，但是每个朝代基本都遵循了相同的规律:衰则乱，乱则起，起则易，易则改，改则盛，盛而又衰;浩瀚的宇宙中，卫星绕着行星转，而行星又绕着恒星转;人们基本上每天都可以看到太阳升起又降落，经历数个月圆月缺的轮回，往返于一个又一个的春夏秋冬，如此众多的“重演”构成了人的一生;每个人都会历经“有志”、“而立”、“不惑”、“知天命”、“耳顺”、“从心所欲”，最终完成自己的一生，而众多“相似”的一生构成了整个社会历史，同时社会的发展又重演着个体一生的发展．正如朱熹所说的“只此一理，万物分之以为体……所谓乾道变化各正性命，然总又只是一个理……”．

从纳米结构形成的自组织性看万物之“序”

吉林大学的金美花与中国科学院化学研究所的赵勇等人［11］将自制的Au纳米粒子水溶胶滴在单晶硅(110)表面上，通过光学显微镜观察到，Au纳米粒子起先只是不断地运动，随着溶液的挥发，Au纳米粒子自组装形成雪花状或者树枝状的分形结构．印度理工学院的MariaJ．Jasmine与EdamanaPras-ad［12］在静电作用下，水介质中羧化物与PAMAM树枝状聚合物周边胺单元的交互作用过程，SEM图像显示，PAMAM树枝状聚合物在凝聚过程中自组织成树枝状的分形结构．吴秋菊等人［13］透射电镜观察高磺化度的聚苯胺体系，发现其胶体聚集体和脱粒的内部结构都具有分形特征，分别与扩散控制集团聚集模型(DLCA)和用随机雨点模型十分吻合．ChungHowTan等人［14］在纳米尺度范围下对具有酸性敏感性的PMAA-b-C60进行观察，研究发现在中性条件下，当NaCl浓度为0.2mol/L时，PMAA-b-C60的凝聚呈现出分形特征，如图4所示，并且随着NaCl浓度的增加分形加剧;如果将盐溶液换成LiBr溶液，仍能观察到这种分形凝聚现象．上述纳米结构的制备过程中，起初纳米粒子的运动是无序的，然而随着时间的延续，这些粒子自行凝聚成具有分形特征的结构，透过这种纳米粒子自组织的特征，也体现着混沌的思想．事物的发展常常会陷入混沌状态，但是事物自身似乎又有着自组织能力，能对这种混沌状态进行转化，从而重新进入一个新的有序的状态之中．看似无序的现象背后却隐含着某种规则以使事物朝有序的方向发展．自然界中，悬浮于空气中的灰尘颗粒会自行凝聚成具有分形特征的结构;河口淤泥经过一段时间的凝聚也会呈现出分形特征;艺术家在灵感产生之前，往往会有一个酝酿阶段，在这个阶段中头脑中的众多思绪纵横交错，找不到顺序可言，然而灵感往往就在这个时候产生;正常人无序的脑电波与其有序的行为是相关的;历史上各个朝代每当进入动乱时期，总会出现若干个拯救世人的英雄，真可谓“乱世出英雄”．从众多科学问题和自然现象可以看出，事物无序中包含着有序，有序中包含着无序，无序是有序产生的前提，有序是无序运动的结果，两者相互依存．通过事物的自组织性，可以产生对“有序－无序”关系的新认识．这里，分形与混沌的思想为人类探索自然奥秘提供了新的模式，让人不得不惊讶于人类社会与自然界中的无序状态背后隐藏着的有序，为人类认识自然与自我，构建人与自然和谐关系提供新思路．

结论

纳米材料领域中的分形艺术只是分形理论在科学领域应用的部分体现．分形理论作为非线性科学的前沿，作为一门横断学科，为包括纳米科学在内的众多学科提供了新的科学研究方法，具有远大的应用前景．更重要的是，分形理论同时也是认识世界的一种新方法，不仅帮助人们在局部与整体之间找到共同之处，看到局部与整体的统一，而且启发人们思考万物发展的规律具有相似之处，同时为人们对事物从无序到有序的变化产生了新认识，促使人们从哲学层面上重新定位人与自然的关系．分形理论，以它独有的方式为科学与艺术架起了一座桥梁，让科学展现它的艺术之美，让自然科学中的艺术绽放它的智慧之光．（本文作者：周婧、王强单位：首都师范大学微尺度功能材料实验室、首都师范大学初等教育学院）