納米材料的分形藝術(shù)研究范文

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曼德布羅特于1967年在《英國(guó)的海岸線有多長(zhǎng)?》一文產(chǎn)生了分形思想的萌芽，之后于1975年在《分形:形狀、機(jī)遇和維數(shù)》一書中奠定了分形思想，最終在《大自然的分形幾何》中全面闡述了分形幾何學(xué)．分形幾何學(xué)成立之后，經(jīng)科學(xué)家不斷的擴(kuò)展，演化成今天較為系統(tǒng)的分形理論．現(xiàn)今的分形理論，其內(nèi)涵相比于分形幾何學(xué)已有所擴(kuò)充，融入了非線性科學(xué)的內(nèi)容，吸取了相鄰學(xué)科的新內(nèi)容，如符號(hào)動(dòng)力學(xué)、重整化群技術(shù)等，顯示出其旺盛的生命力［3］．分形理論為材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)、地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域提供了一種新的認(rèn)識(shí)方法．在納米材料領(lǐng)域，分形理論也得到了普遍應(yīng)用．納米材料的分形結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)的分形生長(zhǎng)、納米結(jié)構(gòu)形成的自組織性，分形理論在納米材料領(lǐng)域中展現(xiàn)著它的藝術(shù)之美．隨著越來(lái)越多的針對(duì)于納米材料領(lǐng)域中分形特征的研究，分形理論作為一種新的科學(xué)認(rèn)識(shí)方法，已經(jīng)逐漸體現(xiàn)出它對(duì)于納米科學(xué)的價(jià)值．同時(shí)，分形特征在納米科學(xué)中的廣泛存在意味著一種深層次的科學(xué)現(xiàn)象，在這些現(xiàn)象的背后蘊(yùn)含著一定的人文啟示，必定引起人們關(guān)于分形藝術(shù)的新的哲學(xué)思考．

從納米材料的分形結(jié)構(gòu)看萬(wàn)物之“形”

清華大學(xué)深圳研究院的代大慶等人［4］用液相還原法成功制備了具有分形特征的球形納米銀結(jié)構(gòu)，觀察銀球形顆粒，發(fā)現(xiàn)每一個(gè)顆粒都是由更小的與其形態(tài)相近似的顆粒組成．溫莎大學(xué)的Ramo''''nA．Alvarez-Puebla和納瓦拉國(guó)立大學(xué)的JulianJ．Gar-rido等人［5］對(duì)不同酸性條件下的富里酸溶液在納米金薄膜上的形態(tài)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在偏堿性條件下呈現(xiàn)出樹枝狀的分形特征，其分枝與其主干的結(jié)構(gòu)相似，如圖1所示．殷景華等人［6］研究了無(wú)機(jī)納米雜化聚酰來(lái)亞胺薄膜的表面形貌及微結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)薄膜具有分形特征．我國(guó)古代哲學(xué)中有“一沙一世界，一花一天堂，袖里有乾坤，壺中有日月”這句話，它隱約體現(xiàn)著分形思想．納米材料的分形結(jié)構(gòu)是分形的核心特征的表現(xiàn)，即事物的局部與整體有著相似的結(jié)構(gòu)，局部反映著整體，整體又體現(xiàn)著局部，通過對(duì)局部的觀察可以了解到整體的構(gòu)造．如果仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)自然界中處處都有分形思想的體現(xiàn):眾所周知的花椰菜，外觀呈半球形的花球狀，而它的花枝也是花球狀，甚至花枝上更小的花枝也是如此;植物的葉脈與樹枝有著相似的形態(tài);生物的每個(gè)細(xì)胞蘊(yùn)含著個(gè)體的所有遺傳信息;人體內(nèi)部的血管構(gòu)造也呈現(xiàn)出驚人的自相似;雪花的各分枝與比其更小一級(jí)的分枝有相似的形態(tài)．更令人驚訝的是，遍布周身的經(jīng)脈與自然界的河流構(gòu)造很相似;自然界中廣泛存在的電現(xiàn)象在人體內(nèi)也存在著．分形，在這里不僅為我們提供一種新的認(rèn)識(shí)方法，更重要的是透過這種分形特征蘊(yùn)藏著的關(guān)于人與自然的關(guān)系的新認(rèn)識(shí)．人與自然在某種程度上是相似的，這使得人們更愿意相信人與自然是相統(tǒng)一的．這種新的認(rèn)識(shí)將加深對(duì)“天人合一”這一我國(guó)傳統(tǒng)思想的理解．

從納米材料的分形生長(zhǎng)看萬(wàn)物之“道”

曹敏花等人［7］利用水熱合成法成功制備的α-Fe2O3納米松樹枝分形結(jié)構(gòu)，并且對(duì)該分形結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行探討，研究發(fā)現(xiàn)，α-Fe2O3納米松樹枝分形結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方式是以取向生長(zhǎng)占主導(dǎo)地位的，而這種方式是相互嵌套的，先由主干由一定取向長(zhǎng)出分支，分支再由一定取向長(zhǎng)出更小的分支，如圖2所示，如此不斷繼續(xù)，使得樹枝越來(lái)越密，最后形成如圖3所示的納米松樹枝分形結(jié)構(gòu)．JyotirmoySarkar等人［8］曾研究在靜電作用下，硬脂酸LB膜上的銀納米粒子的生長(zhǎng)行為，研究人員通過TEM圖像觀察到，銀納米粒子呈分形生長(zhǎng)的特點(diǎn)．北京師范大學(xué)的周固等人［9］利用原位電鏡觀察玻璃納米須在高能電子束輻射下的變化情況，納米須的生長(zhǎng)有先后之差，但是不同時(shí)期下的生長(zhǎng)的納米須最后都呈樹枝狀，符合擴(kuò)散限制凝聚分形生長(zhǎng)模型(DLA)，并且生長(zhǎng)過程中的速度變化情況一致，最后的納米須長(zhǎng)度也一致．以上納米結(jié)構(gòu)的分形生長(zhǎng)特征使人產(chǎn)生思考:事物的發(fā)展是否存在一個(gè)普遍適用的規(guī)則，以使后發(fā)展的事物沿著與先發(fā)展事物相似的方式發(fā)展?哲學(xué)中有三大重演律:胚胎重演律、個(gè)體發(fā)育重演律、思維發(fā)展重演律．胚胎重演律指高等動(dòng)物的胚胎發(fā)育過程重演著生物進(jìn)化史;個(gè)體發(fā)育重演律指?jìng)€(gè)體一生的發(fā)育重演著群體發(fā)展的歷史;思維發(fā)展重演律指?jìng)€(gè)體思維概念的發(fā)展，思想情感的發(fā)展成熟過程，重演著整個(gè)人類認(rèn)識(shí)的歷史［10］．歷史的不斷重演，與納米結(jié)構(gòu)的分形生長(zhǎng)不謀而合，可以說(shuō)歷史的發(fā)展也呈現(xiàn)出分形特征．這不得不引起研究人員去探究這種具有更普遍意義的分形．早在兩千多年前，老子就在《道德經(jīng)》中提出關(guān)于“道”的思想:“道可道，非常道;名可名，非常名．”雖然萬(wàn)物有千萬(wàn)種姿態(tài)，但是存在著同一種“道”適用于各種事物的生長(zhǎng)，使萬(wàn)物的生長(zhǎng)遵循著這種“道”而運(yùn)行、生長(zhǎng)、變化．從中國(guó)歷史上朝代不斷更替的歷程中可以看到，中國(guó)從夏、商、周到元、明、清，歷經(jīng)幾十個(gè)朝代、幾百個(gè)帝王，江山改名換姓，但是每個(gè)朝代基本都遵循了相同的規(guī)律:衰則亂，亂則起，起則易，易則改，改則盛，盛而又衰;浩瀚的宇宙中，衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)，而行星又繞著恒星轉(zhuǎn);人們基本上每天都可以看到太陽(yáng)升起又降落，經(jīng)歷數(shù)個(gè)月圓月缺的輪回，往返于一個(gè)又一個(gè)的春夏秋冬，如此眾多的“重演”構(gòu)成了人的一生;每個(gè)人都會(huì)歷經(jīng)“有志”、“而立”、“不惑”、“知天命”、“耳順”、“從心所欲”，最終完成自己的一生，而眾多“相似”的一生構(gòu)成了整個(gè)社會(huì)歷史，同時(shí)社會(huì)的發(fā)展又重演著個(gè)體一生的發(fā)展．正如朱熹所說(shuō)的“只此一理，萬(wàn)物分之以為體……所謂乾道變化各正性命，然總又只是一個(gè)理……”．

從納米結(jié)構(gòu)形成的自組織性看萬(wàn)物之“序”

吉林大學(xué)的金美花與中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的趙勇等人［11］將自制的Au納米粒子水溶膠滴在單晶硅(110)表面上，通過光學(xué)顯微鏡觀察到，Au納米粒子起先只是不斷地運(yùn)動(dòng)，隨著溶液的揮發(fā)，Au納米粒子自組裝形成雪花狀或者樹枝狀的分形結(jié)構(gòu)．印度理工學(xué)院的MariaJ．Jasmine與EdamanaPras-ad［12］在靜電作用下，水介質(zhì)中羧化物與PAMAM樹枝狀聚合物周邊胺單元的交互作用過程，SEM圖像顯示，PAMAM樹枝狀聚合物在凝聚過程中自組織成樹枝狀的分形結(jié)構(gòu)．吳秋菊等人［13］透射電鏡觀察高磺化度的聚苯胺體系，發(fā)現(xiàn)其膠體聚集體和脫粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)都具有分形特征，分別與擴(kuò)散控制集團(tuán)聚集模型(DLCA)和用隨機(jī)雨點(diǎn)模型十分吻合．ChungHowTan等人［14］在納米尺度范圍下對(duì)具有酸性敏感性的PMAA-b-C60進(jìn)行觀察，研究發(fā)現(xiàn)在中性條件下，當(dāng)NaCl濃度為0.2mol/L時(shí)，PMAA-b-C60的凝聚呈現(xiàn)出分形特征，如圖4所示，并且隨著NaCl濃度的增加分形加劇;如果將鹽溶液換成LiBr溶液，仍能觀察到這種分形凝聚現(xiàn)象．上述納米結(jié)構(gòu)的制備過程中，起初納米粒子的運(yùn)動(dòng)是無(wú)序的，然而隨著時(shí)間的延續(xù)，這些粒子自行凝聚成具有分形特征的結(jié)構(gòu)，透過這種納米粒子自組織的特征，也體現(xiàn)著混沌的思想．事物的發(fā)展常常會(huì)陷入混沌狀態(tài)，但是事物自身似乎又有著自組織能力，能對(duì)這種混沌狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而重新進(jìn)入一個(gè)新的有序的狀態(tài)之中．看似無(wú)序的現(xiàn)象背后卻隱含著某種規(guī)則以使事物朝有序的方向發(fā)展．自然界中，懸浮于空氣中的灰塵顆粒會(huì)自行凝聚成具有分形特征的結(jié)構(gòu);河口淤泥經(jīng)過一段時(shí)間的凝聚也會(huì)呈現(xiàn)出分形特征;藝術(shù)家在靈感產(chǎn)生之前，往往會(huì)有一個(gè)醞釀階段，在這個(gè)階段中頭腦中的眾多思緒縱橫交錯(cuò)，找不到順序可言，然而靈感往往就在這個(gè)時(shí)候產(chǎn)生;正常人無(wú)序的腦電波與其有序的行為是相關(guān)的;歷史上各個(gè)朝代每當(dāng)進(jìn)入動(dòng)亂時(shí)期，總會(huì)出現(xiàn)若干個(gè)拯救世人的英雄，真可謂“亂世出英雄”．從眾多科學(xué)問題和自然現(xiàn)象可以看出，事物無(wú)序中包含著有序，有序中包含著無(wú)序，無(wú)序是有序產(chǎn)生的前提，有序是無(wú)序運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，兩者相互依存．通過事物的自組織性，可以產(chǎn)生對(duì)“有序－無(wú)序”關(guān)系的新認(rèn)識(shí)．這里，分形與混沌的思想為人類探索自然奧秘提供了新的模式，讓人不得不驚訝于人類社會(huì)與自然界中的無(wú)序狀態(tài)背后隱藏著的有序，為人類認(rèn)識(shí)自然與自我，構(gòu)建人與自然和諧關(guān)系提供新思路．

結(jié)論

納米材料領(lǐng)域中的分形藝術(shù)只是分形理論在科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的部分體現(xiàn)．分形理論作為非線性科學(xué)的前沿，作為一門橫斷學(xué)科，為包括納米科學(xué)在內(nèi)的眾多學(xué)科提供了新的科學(xué)研究方法，具有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景．更重要的是，分形理論同時(shí)也是認(rèn)識(shí)世界的一種新方法，不僅幫助人們?cè)诰植颗c整體之間找到共同之處，看到局部與整體的統(tǒng)一，而且啟發(fā)人們思考萬(wàn)物發(fā)展的規(guī)律具有相似之處，同時(shí)為人們對(duì)事物從無(wú)序到有序的變化產(chǎn)生了新認(rèn)識(shí)，促使人們從哲學(xué)層面上重新定位人與自然的關(guān)系．分形理論，以它獨(dú)有的方式為科學(xué)與藝術(shù)架起了一座橋梁，讓科學(xué)展現(xiàn)它的藝術(shù)之美，讓自然科學(xué)中的藝術(shù)綻放它的智慧之光．（本文作者：周婧、王強(qiáng)單位：首都師范大學(xué)微尺度功能材料實(shí)驗(yàn)室、首都師范大學(xué)初等教育學(xué)院）