科學(xué)界的“竇娥”與準(zhǔn)晶體

阿碧

在2011年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉之前，很少有人能猜得到獲獎(jiǎng)?wù)呤强茖W(xué)界的“竇娥”。他就是以色列材料學(xué)家達(dá)尼埃爾·謝赫特曼。1982年，謝赫特曼發(fā)現(xiàn)了打破晶體學(xué)常識(shí)的準(zhǔn)晶體，當(dāng)時(shí)幾乎沒有人相信他的這一發(fā)現(xiàn)，他也因此受到科學(xué)界的排擠，著名的化學(xué)家鮑林甚至稱他為“準(zhǔn)科學(xué)家”。將近30年后，這位“準(zhǔn)科學(xué)家”卻站到科學(xué)界最高的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上。

打破常識(shí)的發(fā)現(xiàn)

有關(guān)材料學(xué)的教科書中都寫到，固體材料分為晶體和非晶體兩種。就拿我們常用的手機(jī)來說，手機(jī)內(nèi)的金屬器件是晶體，晶體中的原子按照一定的規(guī)律進(jìn)行重復(fù)排列；而手機(jī)的塑料外殼是非晶體，其中的分子或原子排列雜亂無章，沒有特別的規(guī)律。那么，有沒有一種固體材料既不是晶體又不是非晶體呢?謝赫特曼就發(fā)現(xiàn)了這樣一種介于晶體和非晶體之間的準(zhǔn)晶體。準(zhǔn)晶體中原子的排列很有規(guī)律，但是不會(huì)重復(fù)排列。

那么，謝赫特曼是如何找到準(zhǔn)晶體這種特殊材料的呢?那得從多年前的那個(gè)春天說起。1982年4月，謝赫特曼在美國約翰·霍普金斯大學(xué)擔(dān)任助理教授，他從事的是航空用高強(qiáng)度合金的研究。他在研究一種鋁錳合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中的“晶體”有些不守規(guī)矩。謝赫特曼拍攝的有關(guān)這種材料的電子衍射照片顯示，這種物質(zhì)存在10次對(duì)稱軸。也就是說，電子衍射照片在旋轉(zhuǎn)36°后，才能使旋轉(zhuǎn)前后的照片上的衍射斑點(diǎn)完全重合在一起。

100多年來，在涉及晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)教科書里明確寫著：“晶體里不存在5次或10次對(duì)稱軸?！比欢?，似乎不可能出現(xiàn)的現(xiàn)象實(shí)實(shí)在在地出現(xiàn)了。因此，謝赫特曼對(duì)自己拍攝到的照片十分疑惑，還在實(shí)驗(yàn)記錄的“10次”后面打了個(gè)問號(hào)。一般來說，科學(xué)家有了新的發(fā)現(xiàn)會(huì)十分興奮，甚至?xí)癜⒒椎履菢訌脑∨枥锾鰜須g呼。然而，謝赫特曼一點(diǎn)也不興奮，因?yàn)樗男掳l(fā)現(xiàn)違背了“金科玉律”。難道是自己的實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了偏差?謝赫特曼開始重復(fù)自己的實(shí)驗(yàn)，多次重復(fù)之后，結(jié)論還是一樣。他不但發(fā)現(xiàn)了一些固體物質(zhì)中的10次對(duì)稱軸，還發(fā)現(xiàn)了5次對(duì)稱軸。

在他人嘲笑中堅(jiān)持

惶恐不安中，謝赫特曼就像祥林嫂那樣見人就描述他的新發(fā)現(xiàn)，希望能夠得到他人的支持。然而，沒有人支持他。這事傳到了實(shí)驗(yàn)室主管的耳朵里，他大發(fā)雷霆，把謝赫特曼叫到辦公室，扔給了謝赫特曼一本晶體學(xué)教材說：“你為什么不重新復(fù)習(xí)一下這些教材?你說的那些是不可能發(fā)生的?！北M管沒有人支持，謝赫特曼還是認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)了固體物質(zhì)的第三種形式，那就是除晶體、非晶體之外的準(zhǔn)晶體。

為什么人們不肯相信有準(zhǔn)晶體這種材料存在呢?一方面是因?yàn)闇?zhǔn)晶體內(nèi)的對(duì)稱軸打破了常規(guī)。更為重要的是，晶體和非晶體在自然界中隨處可見，而準(zhǔn)晶體在自然界中難以尋覓它的蹤影。人們總是有“眼見為實(shí)”的觀念。直到2009年，俄羅斯研究人員才在一條河流的礦物樣本中首次發(fā)現(xiàn)了天然準(zhǔn)晶體。

由于不放棄對(duì)準(zhǔn)晶體的研究，謝赫特曼被約翰·霍普金斯大學(xué)解雇了。如今校方或許會(huì)后悔，因?yàn)樗麄儾恢喇?dāng)時(shí)解雇的是未來的諾貝爾獎(jiǎng)得主。謝赫特曼懷著灰暗的心情離開了美國，回到自己攻讀學(xué)士、碩士和博士學(xué)位的母校以色列理工學(xué)院。母校以博大的胸懷接納了這位海外游子，并聘請(qǐng)他做教授。謝赫特曼還在母校找到了一個(gè)得力的助手伊蘭·布勒希。他們經(jīng)過1年多的研究，于1984年發(fā)表了一篇描述制作準(zhǔn)晶體具體方法的論文。這篇論文的發(fā)表是十分艱難的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界并不接納準(zhǔn)晶體這個(gè)概念，他們最終只能把論文發(fā)表在一本二流學(xué)術(shù)期刊上。

盡管母校支持他的研究，但是當(dāng)時(shí)謝赫特曼在學(xué)術(shù)界是十分孤立的，國際上大多數(shù)科學(xué)家都反對(duì)準(zhǔn)晶體理論。在所有反對(duì)者中，反對(duì)最激烈、聲望最高的居然是一位兩度獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家。他就是美國著名的化學(xué)家萊納斯·鮑林，1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)和1962年諾貝爾和平獎(jiǎng)得主。有趣的是，鮑林的獲獎(jiǎng)成果之一的“共振論”也是打破了物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的常規(guī)，也曾經(jīng)遭受非議。

鮑林曾經(jīng)在一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)上說：“謝赫特曼在胡說。沒有準(zhǔn)晶體這種東西，只有準(zhǔn)科學(xué)家才這樣認(rèn)為?！滨U林還發(fā)表了不少晶體結(jié)構(gòu)方面的文章，想方設(shè)法要把謝赫特曼的準(zhǔn)晶體歸納到傳統(tǒng)的晶體學(xué)教科書外。由于鮑林在國際化學(xué)界影響很大，他給謝赫特曼“準(zhǔn)科學(xué)家”的稱謂不脛而走。多年以后，謝赫特曼的一些朋友還拿這個(gè)稱號(hào)來打趣他。

要成就一項(xiàng)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，需要能夠重復(fù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，否則就是無稽之談。好在謝赫特曼向科學(xué)界描述了如何制造準(zhǔn)晶體的方法，一些國家的研究人員陸續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中按他描述的方法制造出不同物質(zhì)的準(zhǔn)晶體，有些研究人員還開發(fā)出了新的制造方法。1987年，法國和日本科學(xué)家制出足夠大的準(zhǔn)晶體，經(jīng)由x射線和電子顯微鏡可以直接觀察到這種準(zhǔn)晶體。至此，謝赫特曼的理論才得到科學(xué)界的認(rèn)可。

準(zhǔn)晶體是特種材料

我們都知道晶體材料和非晶體材料在實(shí)際生活和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，那么準(zhǔn)晶體材料有實(shí)際用途嗎?當(dāng)然有，這種材料本來就是謝赫特曼研究高強(qiáng)度航空合金材料時(shí)發(fā)現(xiàn)的。事實(shí)證明，準(zhǔn)晶體的強(qiáng)度特別大，表面基本沒有摩擦力，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，不易被氧化而生銹。目前，準(zhǔn)晶體作為特種材料開始應(yīng)用于航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，用于制造堅(jiān)固的儀器和武器的部件。作為熱和電的不良導(dǎo)體，準(zhǔn)晶體還可用于制作溫差電材料，可把熱能轉(zhuǎn)換為電能。利用其表面不粘的特性，它可以用于制作煎鍋表面涂層。

謝赫特曼在得知自己獲得了諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，用“天崩地裂”來形容自己的欣喜和意外之情，因?yàn)樗呀?jīng)習(xí)慣了他人多年的嘲笑和排擠。諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在高度評(píng)價(jià)了謝赫特曼研究的同時(shí)，也對(duì)全世界科學(xué)家們發(fā)出了警告：“即使最偉大的科學(xué)家也會(huì)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(rèn)知是科學(xué)家最重要的品質(zhì)?！贝藭r(shí)，曾經(jīng)嚴(yán)重傷害過謝赫特曼的鮑林已經(jīng)謝世17年了，他在去世之前一直沒有接受謝赫特曼的準(zhǔn)晶體理論。假如他能活到今天，不知道他對(duì)諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)的警告作何感想。