超越水墨：用物理作画

从悬浮在半空中的笔尖上落下一滴墨水，触摸到绘画表面，绽放出千变万化的美丽杰作。它编织了一幅错综复杂、不断演变的图案挂毯。其中一些像分支的雪花、霹雳或神经元，低声诉说着艺术家视觉的独特表达

冲绳科学技术研究所（OIST）的研究人员开始分析这种被称为树枝状绘画的迷人技术的物理原理。他们的灵感来源于日本媒体艺术家中山明子的作品。这项工作发表在PNAS Nexus杂志上

在现场绘画表演中，她在涂有一层丙烯酸漆的平坦表面上涂上了与酒精混合的彩色丙烯酸墨水。美丽的分形——以不同尺度重复的树状几何形状，在自然界中经常出现——出现在观众面前。这是一种由创造力驱动的迷人艺术形式，但也受到流体动力学物理学的驱动

丙烯酸涂料分形实验

Nakayama解释道：“我非常钦佩科学家，比如中谷佑一郎和寺田彻，他们在科学和艺术方面都做出了卓越的贡献。我很高兴能与OIST物理学家陈三藤联系。我很羡慕他能够与树枝状图案‘对话’，观察它们如何随着不同方法的变化而改变形状。听到这种秘密对话很愉快。”

“画家们经常使用流体力学来创作独特的作品。我们在David Alfaro Siqueiros、Jackson Pollock和Naoko Tosa等作品中都见过这种情况。在我们的实验室里，我们复制和研究艺术技术，以了解流体的特征如何影响最终结果，”OIST力学与材料部门的OIST教授Eliot Fried说，他喜欢从艺术和科学的角度看待树枝状绘画

在树枝状绘画中，墨水和酒精形成的液滴会受到各种力的作用。其中之一是表面张力——使雨滴呈球形，并使树叶漂浮在池塘表面的力

特别是，由于酒精的蒸发速度比水快，它会改变液滴的表面张力。流体分子倾向于被拉向液滴边缘，与液滴中心相比，液滴边缘具有更高的表面张力。这被称为Marangoni效应，也是葡萄酒眼泪形成的相同现象——葡萄酒在旋转或倾斜后在酒杯内部形成的液滴或条纹

其次，底层涂料层在这种艺术手法中也起着重要作用。陈博士测试了各种类型的液体。要想出现分形，液体必须是在剪切应变下粘度降低的流体，这意味着它的行为必须有点像番茄酱

众所周知，除非你摇晃番茄酱，否则很难把它从瓶子里拿出来。这是因为番茄酱的粘度会随着剪切应变而变化。当你摇晃瓶子时，番茄酱的粘性会降低，更容易倒在盘子上。这是如何应用于树枝状绘画的

来源：中山明子用树枝状绘画创作出分形般的树枝。来源：San To Chan博士（OIST）

“在树枝状绘画中，膨胀的墨滴会剪切下面的丙烯酸漆层。它不像番茄酱瓶子的摇晃那么强烈，但它仍然是一种剪切应变。就像番茄酱一样，压力越大，墨滴就越容易流动，”Chan博士解释道

“我们还表明，这种树枝状绘画技术背后的物理原理类似于液体在多孔介质（如土壤）中的流动方式。如果你在显微镜下观察丙烯酸涂料的混合物，你会看到一个由聚合物分子和颜料组成的微观结构网络。墨滴往往会穿过这个底层网络，穿过阻力最小的路径，从而形成树枝状图案，”弗里德教授补充道

每个树枝状版画都是独一无二的，但艺术家至少可以考虑两个关键方面来控制树枝状绘画的结果。第一个也是最重要的因素是分布在表面上的油漆层的厚度。陈博士观察到，精细的分形出现在不到半毫米的油漆层上

实验的第二个因素是该油漆层中稀释介质和油漆的浓度。陈博士使用三份稀释介质和一份油漆，或者两份稀释介质与一份油漆获得了最详细的分形。如果油漆的浓度更高，液滴就不能很好地扩散。相反，如果油漆浓度较低，就会形成模糊的边缘。

这不是力学和材料部门成员开始的第一个科学与艺术结合的项目。例如，他们在OIST校园设计并安装了一个移动雕塑。该雕塑展示了该单元发明的一系列机械装置，称为Möbius万花筒，这可能为设计具有新型电子特性的化合物提供指导

目前，陈博士还在开发新的方法来分析素描或绘画在创作过程中的复杂性是如何演变的。他和弗里德教授乐观地认为，这些方法可以用于揭示实验捕捉或数值生成的流动f图像中的隐藏结构