謝赫特曼開辟了固體物質(zhì)的第三種可能

文/李若夕

謝赫特曼開辟了固體物質(zhì)的第三種可能

文/李若夕

瑞典皇家科學院10月5日宣布，現(xiàn)年70歲的以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼因發(fā)現(xiàn)準晶體獨享2011年諾貝爾化學獎。經(jīng)歷過被否定、嘲笑和驅(qū)逐，謝赫特曼終于等來了被承認的一天，他的發(fā)現(xiàn)，促使科學家們開始重新思考對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認知。

塵埃落定，準晶的形態(tài)也牢牢的鐫刻在了眾多科學家的心里。正如諾貝爾化學獎評審委員會的解釋：“在準晶體內(nèi)，我們發(fā)現(xiàn)，阿拉伯世界令人著迷的馬賽克裝飾得以在原子層面復(fù)制，即常規(guī)圖案永遠不會重復(fù)?！?/p>

因為堅持所發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)，即使頂撞了權(quán)威，也從未放棄過研究，這樣的事，哥白尼經(jīng)歷過，愛因斯坦也經(jīng)歷過，所以在發(fā)布會現(xiàn)場的時候，謝赫特曼才會感到“天崩地裂”，他努力控制自己的情緒，但激動溢于言表?！皩ξ覀€人而言，這真是一個偉大的日子……對科學而言，是偉大的一天。”

諾貝爾化學獎評選委員會高度評價了謝赫特曼研究的原創(chuàng)性，同時，也對全世界科學家們發(fā)出了警告：“即使最偉大的科學家也會陷于傳統(tǒng)藩籬的桎梏中，保持開放的頭腦、敢于質(zhì)疑現(xiàn)有認知是科學家最重要的品質(zhì)?！?/p>

關(guān)于那些不被接受的爭議

謝赫特曼在以色列出生和接受教育，以色列工學院是他研究事業(yè)起步的地方。在以色列工學院舉行的新聞發(fā)布會上，謝赫特曼說：“往事給我的教訓(xùn)是，好科學家是一位謙卑、聆聽的科學家，而不是100%地捍衛(wèi)他在教科書上讀到的知識?！?/p>

他回憶起過去的那些坎坷經(jīng)歷依然記憶猶新。

1981~1983年，謝赫特曼利用學術(shù)休假年來到美國約翰·霍普金斯大學。1982年4月8日，他將鋁錳合金熔化后快速冷卻以防止其結(jié)晶，并在電子顯微鏡下觀察樣品中的原子結(jié)構(gòu)。顯微鏡里，他看到了一張從未見過的電子衍射圖模式：這個合金有非同尋常的旋轉(zhuǎn)對稱——五邊形對稱，原子排列有序但結(jié)構(gòu)模式不重復(fù)。

在晶體結(jié)構(gòu)中，原子排列模式應(yīng)該有序且重復(fù)，因此這不是標準的晶體結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)觀點相違背的準晶體排列規(guī)則。在晶體結(jié)構(gòu)中不允許出現(xiàn)5次和6次以上的旋轉(zhuǎn)對稱性，這是被寫進教科書的國際學術(shù)界主流觀點，一百多年來沒有人去懷疑它的正確性。早在十九世紀，德國科學家就總結(jié)并通過數(shù)學嚴格證明，為了滿足晶體的平移對稱性，晶體只能出現(xiàn)n=1、2、3、4、6等五種旋轉(zhuǎn)對稱軸，不可能出現(xiàn)n=5和n>6次的對稱軸。傳統(tǒng)的晶體學理論斷言，由于受到晶體平移周期性的限制，五次旋轉(zhuǎn)對稱是不存在的。

謝赫特曼說，其實，在發(fā)現(xiàn)的最初階段，他自己也覺得難以置信?！安豢赡苡羞@樣的物質(zhì)存在，”謝赫特曼對自己說。在記錄這一發(fā)現(xiàn)的筆記本上，謝赫特曼一連標記了3個問號。謝赫特曼不能解釋自己所見。準晶體是自然界固體物質(zhì)中的“另類”，它不具備晶格周期性，卻顯現(xiàn)長程有序性。他告訴同事發(fā)現(xiàn)了一種新的材料結(jié)構(gòu)，同事不相信他，他捍衛(wèi)自己的觀點，卻引來了麻煩：研究組組長要求他離開。實驗室主管把一本書放在桌上說，“你為什么不讀讀這個？你所說的是不可能的。”謝赫特曼說：“研究晶體

領(lǐng)域的專家不接受我的發(fā)現(xiàn)成果，國際晶體界也不接受。關(guān)于我的發(fā)現(xiàn)，起初有很大的爭議?！敝钡?003年，謝赫特曼還無法釋懷，他說：“兩年多時間里，沒有人相信我的結(jié)果，我被嘲笑……我擔心自己的科學，我擔心自己的職業(yè)生涯?！?/p>

研究晶體領(lǐng)域的專家不接受我的發(fā)現(xiàn)成果，國際晶體界也不接受。關(guān)于我的發(fā)現(xiàn)，起初有很大的爭議。

從未放棄與權(quán)威抗爭的日子

幸運的是，謝赫特曼在以色列工學院的同事伊蘭·布雷希愿意幫助他發(fā)表成果。

小蟲騎在摩托車上，一路狂奔，一路亂想，不知不覺到了凌源，到了許沁的拋光部。許沁的拋光部有十來個員工在揮汗如雨地干活，熱烘烘的車間里飄蕩著青臘和汗水的味道，機器的聲音一浪高過一浪，刺耳的嘈雜聲大得連對面說話都聽不見。

1984年，布雷希建議制作一個20面體的玻璃模型。兩人寫了一篇包含這個模型和實驗結(jié)果的論文，當年夏天投給美國《應(yīng)用物理學期刊》。編輯給他發(fā)來了退稿信，理由是文章不適合期刊的讀者。成名后的謝赫特曼對此事仍耿耿于懷，他作學術(shù)報告時總喜歡把那封退稿信作為第一張透明片，來諷刺那位編輯。

隨后，他們將論文轉(zhuǎn)投《冶金學學報》，學報接收了論文卻在近一年的時間里都沒有發(fā)表。后來，謝赫特曼又將論文送給美國標準局著名材料學家約翰·卡恩。卡恩建議精簡文章內(nèi)容、去除模型和實驗細節(jié)，只包含實驗發(fā)現(xiàn)。最終，題為《一種長程有序但不具備平移對稱性的金屬相》論文發(fā)表在1984年11月的《物理學評論快報》。

不過，這篇論文仍舊沒有打消一些知名科學家對準晶體理論的疑問。當時，頗有名望的美國化學家、晶體學權(quán)威、兩屆諾貝爾獎得主鮑林（Pauling）在一場新聞發(fā)布會上說：“謝赫特曼在胡說，沒有準晶體這種東西，只有準科學家?！?/p>

“不過，他鍥而不舍的努力最終迫使科學家們開始重新考慮他們對于物質(zhì)本質(zhì)的認識?！敝Z貝爾化學獎評審委員會說。

成果發(fā)表后，世界各地的科學家給他打電話：“我們做出了你做的東西，我們看到了你看到的東西?！?/p>

康奈爾大學的物理學家維伊特·埃爾塞說：“考慮到制作這些材料的簡單性，在謝赫特曼之前，應(yīng)該有許多科學家已經(jīng)見過這種五次對稱圖形，但是因為這不符合晶體學的嚴格規(guī)定，他們都放棄了所見。”

關(guān)于教育不得不說的事

謝赫特曼一直堅持他的觀點，直到30年后的諾貝爾化學獎，徹底為他“正名”。談到他的堅持動力，謝赫特曼說，堅持正確的方向不放棄，就會成功。他認為：“必須要成為某個領(lǐng)域的專家，這是第一位的。當發(fā)現(xiàn)某個新事物的時候，首先要確定它確實是新事物，然后再試著解釋所看到的。如果相信自己的話，就可以聽取他人的意見，但不要被他們誤導(dǎo)，不要放棄。對我來說，我知道我是對的?！?/p>

謝赫特曼于1941年出生在以色列港口城市特拉維夫，現(xiàn)在是以色列理工學院的教授，同時還在美國能源部埃姆斯實驗室從事研究工作，另外還是美國艾奧瓦州立大學的教授。謝赫特曼曾于1998年獲得以色列物理學獎，并于第二年獲得沃爾夫物理學獎。有媒體報道稱，謝赫特曼先后獲得幾乎所有科學獎項，似乎“獨缺”諾貝爾獎。

在以色列，已經(jīng)有不少科學家獲得過諾貝爾獎，這個僅占世界人口0.2%的國家，它的諾貝爾獎獲獎?wù)呷藬?shù)已經(jīng)占了所有諾貝爾獎獲獎?wù)叩?0%以上。在過去的20年里，曾有7名以色列人摘得諾貝爾獎桂冠；而在過去10年里，以色列科學家則5次獲得諾貝爾獎。

謝赫特曼認為，以色列的教育體系成就了這些科學家。謝赫特曼說：“我認為，以色列的大學都是很好的大學。工學院的工程學和科學都很好。其他的大學也不錯。我們不但有很好的教育，而且我們的教育體系鼓勵人們的獨創(chuàng)性?！敝x赫特曼教授同時指出，教育應(yīng)當注重培養(yǎng)學生的能力，讓他們能夠具備各種技能，而不僅僅是局限于書本。學生除了學習數(shù)理之外，還應(yīng)當在文學、藝術(shù)、音樂等領(lǐng)域有自己的興趣和愛好。這些培養(yǎng)要從小做起，也需要優(yōu)秀的教師。謝赫特曼說：“如果要引導(dǎo)一個人研究科學，或者其他領(lǐng)域，需要從幼兒園開始（培養(yǎng)）。為了實現(xiàn)（這種引導(dǎo)），我們需要優(yōu)秀的教師，不僅會教學，還會教育。這是一個挑戰(zhàn)?！?/p>

謝赫特曼教授說，教育的范疇遠大于教學，教育還包括價值觀的引導(dǎo)，對青少年的鼓勵等等。他認為，社會應(yīng)當投入更多的資金和精力在優(yōu)秀教師身上，以避免人才流失。謝赫特曼教授用自己的例子來說明優(yōu)秀教師的重要性。他說，他高中時期的物理老師對他影響甚深。謝赫特曼說：“那是個非常完美的老師。他從伊拉克來到以色列，很有活力，也很嚴謹。他的黑板上畫線的時候，一定是直線。他的希伯來語（發(fā)音）很蹩腳，（因為）他是跟著字典讀的。有一天，他把我叫到黑板前，他在黑板上畫了一個帶電阻的電路圖，讓我解答。我解決了這個問題。他對我說，‘丹懂物理’。17歲的我，記住了這句話。”

另類的“準晶體”用途廣泛

美國《紐約時報》網(wǎng)站10月5日的報道稱，1982年，謝赫特曼在進行“衍射光柵”實驗時，讓電子通過鋁錳合金進行衍射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無數(shù)個同心圓各被10個光點包圍，恰恰就是一個10次對稱。謝赫特曼當時認為“這是不可能的”，還在筆記本上寫道：“10次？”

然而，1987年，法國和日本科學家成功地在實驗室中制造出了準晶體結(jié)構(gòu)。至此，謝赫特曼的理論終于得到科學界的認可?，F(xiàn)在他的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)使得準晶體成為物理學家、材料學家、數(shù)學家以及晶體學家的重要研究領(lǐng)域。

1992年，國際結(jié)晶學聯(lián)盟改寫了結(jié)晶的定義，從“有序、重復(fù)的原子陣列”改為“任何有離散衍射模型的固體”。2009年，科學家們在俄羅斯東部哈泰爾卡湖獲取的礦物樣本中發(fā)現(xiàn)了天然準晶體的“芳蹤”，這塊合金采自俄羅斯科里亞克山上2億年歷史的巖石中。這種名為icosahedrite（取自正二十面體）的新礦物質(zhì)由鋁、銅和鐵組成；瑞典一家公司也在一種耐用性最強的鋼中發(fā)現(xiàn)了準晶體，這種鋼目前被用于剃須刀片和眼科手術(shù)用的手術(shù)針中。

其實，這些圖案早已有之?？茖W家們在14世紀摩爾人于西班牙建立的阿爾漢布拉宮和15世紀修建的伊朗Darb-i Imam清真寺內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了這種圖案，它們也大量出現(xiàn)在荷蘭畫家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾的藝術(shù)作品中。不過，科學家們一直認為晶體的原子結(jié)構(gòu)不可能以這種方式排列，謝赫特曼的發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了人們的這一認知。

這種準晶體也同斐波那契序列有關(guān)，在斐波那契序列中，每個數(shù)字是前面兩個數(shù)字之和。1753年，格拉斯哥大學的數(shù)學家羅伯特·辛姆森發(fā)現(xiàn)，隨著數(shù)字的增大，兩數(shù)間的比值越來越接近黃金分割率（一個與圓周率相類似的無限不循環(huán)小數(shù)，其值約為1.62）?？茖W家們后來也證明，準晶體中原子間的距離也完全符合黃金分割率。

據(jù)英國《新科學家》網(wǎng)站10月5日報道，準晶體具有獨特的屬性，堅硬又有彈性、非常平滑，而且，與大多數(shù)金屬不同的是，其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性很差，因此在日常生活中大有用武之地。科學家正嘗試將其應(yīng)用于其他產(chǎn)品中，比如不粘鍋和發(fā)光二極管等。另外，盡管其導(dǎo)熱性很差，但因為其能將熱轉(zhuǎn)化為電，因此，它們可以用作理想的熱電材料，將熱量回收利用，有些科學家正在嘗試用其捕捉汽車廢棄的熱量。

“準晶體的應(yīng)用還有待于進一步開發(fā)。”謝赫特曼愛荷華州立大學的同事、同樣研究準晶體的派翠西亞·泰爾接受《紐約時報》采訪時表示，“但準晶體改變了我們對固體中原子結(jié)構(gòu)的理解，這是一個具有革命性的科學發(fā)現(xiàn)?！?/p>

謝赫特曼將諾貝爾獎的榮譽歸于所有的科學工作者。他說：“如果沒有全世界科學家的智慧和汗水，科學不會進步至此，不會如今日般欣欣向榮?！?/p>