當藝術遇見化學：科學顯微影像與藝術創作 曾曉凡、陳俊太* 國立交通大學應用化學系*jtchen@mail.nctu.edu.tw n  前言 一直以來人，大多數或是學生都把科學研究視為很難親近的工作，也認為科學研究是很枯燥乏味的。為了能夠增進大家對科學研究的認識與了解，一種很有效的方式就是結合科學研究與藝術創作。本文作者所參與的研究工作是在國立交通大學奈米高分子研究實驗室進行，主要的研究內容是有關於高分子材料的製備與鑑定，所製備材料的尺度一般均在微米與奈米之間。本文將簡述作者利用實驗所得到的研究數據影像與藝術作結合之創作經驗。數據影像主要是由掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）拍攝而得，除了可佐證所嘗試的材料製備方法是否成功之外，也結合圖像美學、文字創作與科學意義，如圖1所示。所呈現之作品不僅可鼓勵學生們發揮想像力與創造力，也將進一步燃起對科學研究的熱情與興趣。 圖1：以顯微鏡拍攝之數據影像進行藝術創作概念圖 n  掃描式電子顯微鏡的科學原理 基本上，所有科學實驗得到的數據資料，都可以發揮創意將其與文學或藝術作結合。相對於紅外線光譜儀（Infrared Spectrometer）、拉曼光譜儀（Raman Spectrometer）等光譜儀器來說，利用光學顯微鏡（Optical Microscope, OM）或電子顯微鏡所得到數據影像更容易用來作為與藝術結合的素材。在本文內所呈現科學藝術創作的作品範例主要是以掃描式電子顯微鏡所拍攝。因此，在此先簡介掃描式電子顯微鏡的儀器操作及其簡單成像原理。 掃描式電子顯微鏡是一個鑑定材料表面形貌很有用的儀器工具，可以知道樣品表面的形貌高低，甚至是組成的成份。主要的原理是先由電子槍（electron gun）產生電子束（electron beam），再經過電場所控制之電子透鏡（electronic lens）進行聚焦，電子束被聚集在樣品上的微小區域，可產生不同訊號，如二次電子（secondary electron）、背向散射電子（backscattered electron）與陰極螢光（cathode luminescence）等，再由偵測器（detecter）進行訊號之偵測與分析，如圖2所示。由於此儀器主要是以電子為訊號來源，其環境需要相當高的真空度（10-7~10-8 torr)，所以儀器的價格較為昂貴。 圖2：掃描式電子顯微鏡原理示意圖 在樣品製備方面，一般需要充分的進行乾燥，以避免樣品中的水氣破壞儀器內的真空度。此外，為了避免電子束在樣品上累積電荷（charging），會在非導電樣品表面鍍上數奈米的金（Au）或鉑（Pt）等金屬以增加樣品的導電度。一般光學顯微鏡由於受到波長繞射的限制，因此解析度只能到數百奈米。相對而言，掃描式電子顯微鏡之解析度可達數奈米，且景深（depth of focus）較長，是近年來研究奈米材料很廣泛使用的儀器。 n  利用顯微鏡影像進行藝術創作 一、基本創作方式 以掃描式電子顯微鏡所拍攝之影像來說，每個數據點的明亮度主要是偵測器所量測到的電子訊號強度不同而造成，一般所看到的電子顯微鏡影像是以黑白或灰階色作呈現，越強的電子訊號區域其顏色越白亮。在進行影像與藝術創作結合時，可以利用原始的黑白圖片，也可將選擇性區域作顏色對比的後製處理。而創作的其中一種基本概念，就是將科學影像與個人的生活經驗作結合，除了單純使用顯微鏡影像外，也可加入適當文字，或是相關的3D繪圖，使作品內容更加豐富。 二、作為論文期刊封面等使用 利用電子顯微鏡影像與藝術作結合，在科研人員中已經越來越普遍。較常使用的地方是作為所發表論文期刊中的圖像摘要（graphical abstract）與期刊的封面圖像（cover image）。近年來的科學期刊在每一期的封面或封底，會選出該期之研究代表工作作為特別的封面故事（cover story）。因此，研究人員會將研究相關的實驗概念示意圖或是相關數據影像加以編排作為封面內容，也可利用相關3D繪圖軟體繪製符合實驗主題之代表圖，以吸引更多讀者的注意。 舉例而言，我們實驗室曾經進行有關製備具有規則排列奈米柱之高分子微米纖維的工作，相關成果發表於Macromolecular Rapid Communications 期刊2016年第37卷第3期。1 在論文接受後，受到期刊編輯委員的邀請，將研究主要概念繪製為該期期刊之封面，如圖3所示。此工作是先利用電紡絲法（electrospinning）製備微米尺度之高分子纖維。因此，在封面圖中左上方就以白色閃電示意為電紡絲的高電場環境，而製備出之高分子纖維就以藍色纖維表示。之後纖維在高溫退火（thermal annealing）環境下於奈米孔洞模板進行壓印。因此，在封面圖中右方就以紅色煙霧瀰漫代表高溫退火的環境，最後製備出具有規則排列奈米柱之高分子微米纖維。除了以3D圖片表示外，封面圖內也加入相對應的高分子結構之掃描式電子顯微鏡影像。 圖3：結合3D繪圖與顯微鏡影像之期刊封面1 三、相關科學影像之競賽 目前國內外已有舉辦多次以科學影像為主的競賽，鼓勵科學研究人員與學生發揮創意，將科學實驗所得之研究實驗影像進行投稿。舉例來說，臺灣曾舉辦過「臺灣奈米影像競賽」。以2015年為例，其競賽組別分別為(1)掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscopy, SPM）影像組、(2)掃描式電子顯微鏡（SEM）影像組、(3)穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscope, TEM）影像組、(4)奈米影像新詩創作組、及(5)特別組—奈米創意影音，影像組。鼓勵研究人員將不同儀器所拍攝之實驗數據圖進行投稿，其中較特別的是搭配科學影像所創作的新詩競賽，將科學與文學創作作結合。而在國外來講，著名的電子顯微鏡廠商JEOL Ltd.也舉辦SEM/TEM/EPMA Image […]