尋找準晶體

劉安立

它是一種非凡的、卻又“不應(yīng)該”存在的礦物質(zhì)。那么，究竟是什么原因造就了這種令人不可思議的物質(zhì)？現(xiàn)在，就來欣賞這個曲折的地質(zhì)學偵探“大片”。

此刻，保羅·斯坦哈特已經(jīng)確信這個小顆粒正是他要找的東西。但這塊巖石顆粒太小了，他不得不把它粘在一根玻璃棒的末端，生怕它丟失。他已經(jīng)記不得找到這個巖石樣本花了他多少時間。但要真正了解這塊獨特石頭的故事，需要把斯坦哈特帶到可以說是世界的盡頭，而且在某種意義上——帶到地球之外。

斯坦哈特的正式研究領(lǐng)域是理論宇宙學。直到2011年他58歲時，他從未露營過。他之所以突然決定要去荒野待幾天，其實是始于20世紀80年代初對一個數(shù)學游戲——選擇浴室瓷磚的著迷。把許多重復(fù)的正方形、等邊三角形、平行四邊形或正六邊形的瓷磚，緊密地拼接在一起，最終剛好能貼滿浴室地面。但任何其他形狀的瓷磚都不能做到這一點。

或者，把規(guī)則再放寬一點。如果每一塊瓷磚的形狀規(guī)則但不重復(fù)，依然可以用五邊形、梯形和其他形狀規(guī)則的瓷磚鑲滿浴室地面。15世紀初建立在伊朗伊斯法罕的多座清真寺（請參見后文鏈接：《基里赫瓷磚》），都運用了這類“準周期”的瓷磚模式。由英國物理學家羅杰·彭羅斯發(fā)明的準周期結(jié)構(gòu)，也是這種模式的一個著名的現(xiàn)代范例。

斯坦哈特則考慮了這樣一個問題：在三維空間是否存在準周期結(jié)構(gòu)？這并非是一個完全無端的猜想。透過電子顯微鏡觀察，從鉆石到硅石再到石墨，任何結(jié)晶固體都會產(chǎn)生典型的衍射模式。這些模式與以規(guī)則、重復(fù)陣列排列的原子的衍射模式一致。如果把這些陣列視為點陣，并且把它們連接起來，就能得到正方形、三角形、平行四邊形和六邊形。簡直太神奇了。但是，能否把原子也以準周期模式排列呢？

最終，斯坦哈特證明了至少在理論上可以讓原子如此排列，并且還證明了：任何這類準周期結(jié)構(gòu)晶體（以下簡稱準晶體）的衍射模式都非常漂亮，截然不同于常規(guī)晶體的衍射模式。1984年11月，當他讀到以色列物理學家丹·舍特曼（當時舍特曼一直在研究新型金屬合金的制造）的一篇論文時，他立即認出了這種特異的衍射模式。次月，斯坦哈特就與他的學生達夫·列文發(fā)表了論文《準晶體：一個新類型的有序結(jié)構(gòu)》，介紹了他們在理論上的發(fā)現(xiàn)，文中也提到了舍特曼研發(fā)的材料。

并非所有科學家都認同他們的說法。其中最有名的反對者是獲得了諾貝爾獎的化學家萊納斯·鮑林。他宣稱“不存在準晶體之類的東西，只存在準科學家”，言下之意是斯坦哈特算不上真正的科學家，其有關(guān)準晶體的研究理論也不是真正的科學理論。直到1987年，潮流才開始反轉(zhuǎn)。當時，麻省理工學院的一組科學家運用可互換準晶體衍射模式，創(chuàng)制了一種由鋁、銅和鐵組成的合金。到2011年舍特曼獲得諾貝爾獎時（請參見后文鏈接：《被嘲笑者贏得諾貝爾獎》），已知的合成準晶體已超過100種。

準晶體的優(yōu)勢并不僅僅在于奇特：準晶體內(nèi)部的原子排列，賦予了準晶體一系列誘人的特性——非常堅硬，摩擦力很低，是很好的熱絕緣體。因此，從飛機到不粘鍋的各種表面材料，再到能用廢熱發(fā)電的熱電材料和非常節(jié)能的發(fā)光二極管，準晶體都可能大有用場。但前提是要對準晶體有更多了解，以及找到方便可行的準晶體制造方法。

而這恰恰是問題所在。當科學家試圖在實驗室里制造準晶體時，哪怕溫度或壓力的小小波動，也會讓原子的精致排列模式偏離到更常規(guī)的晶體結(jié)構(gòu)。準晶體只能在精細控制的條件下制造，這無疑是緩慢而又昂貴的過程。但斯坦哈特有一種直覺：制造準晶體應(yīng)該不會只有以這種方式。但如何證明這一點？如果能在自然界找到準晶體，或許就能證明有更簡單的方法來制造準晶體，而我們也許能從中受到啟發(fā)。

剛開始時，斯坦哈特沒有太多時間來尋找天然準晶體。他只是偶爾會抽出時間，向世界各地的博物館申請巖石樣本，目測它們是否具備準晶體的特征。但當他1998年到了普林斯頓后，他得到了一種新裝備：電子衍射顯微鏡。他開始采用一種新算法，與一些同事共同在一個特殊數(shù)據(jù)庫（由來自巖石粉末的成千上萬種衍射模式組成）中搜索準晶體結(jié)構(gòu)。那些有希望的樣本，來自于博物館館藏和個人收藏?？茖W家們把巖石樣本切割成小片，在顯微鏡下仔細尋找它們可能具有的準晶體特征，卻始終未能找到。

2001年，科學家們發(fā)表論文宣布自己的失敗，其實是希望有人能站出來提供他們想要的巖石，但一直未得到回應(yīng)。直到6年后的一天，斯坦哈特收到了一封署名盧卡·賓迪的電子郵件。賓迪是意大利佛羅倫薩大學自然歷史博物館的礦物學帶頭人，專門研究天然礦物質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。全球礦物學家中，只有他回應(yīng)了斯坦哈特團隊。這一點彌足珍貴，而且他很快就像斯坦哈特一樣，迷戀上了尋找天然準晶體。

賓迪起初只研究他所在博物館所收藏的巖石，但接下來他又把目光投向其他地方的樣本，終于發(fā)現(xiàn)了一塊直徑只有大約3毫米的樣本——白色、灰色、黑色和黃色錯雜的顆粒樣本。它的標簽上說，它屬于鋁鋅銅礦，來自于西伯利亞的科里亞克山脈。

鋁鋅銅礦擁有科學家們認為有希望的化學組成：就像實驗室制造的首批準晶體當中的一些那樣，它包含鋁和銅。被打磨成粉狀來觀測，鋁鋅銅礦很符合斯坦哈特團隊的算法。2009年初，賓迪把其中一些微粒（它們的直徑約為0.1毫米）送給斯坦哈特。斯坦哈特通過電子顯微鏡觀察這些微粒，發(fā)現(xiàn)了確鑿無疑的準晶體特征。

不幸的是，這一發(fā)現(xiàn)付出了很大代價。賓迪所進行的打磨消耗掉了這些微型樣本中的大部分，有關(guān)這些樣本來源的線索也隨之失去。隨后幾年里，斯坦哈特團隊檢驗了剩下的每一顆巖石微粒，盡可能從中獲取信息。他們還分析了有關(guān)這種巖石起源的各種大膽的假說：閃電襲擊、工業(yè)煉鋁產(chǎn)生的爐渣甚至核爆炸。然而，它們都不吻合。

他們還把一顆微粒送到加州理工學院，目的是檢驗它的氧同位素。檢測結(jié)果是，它的同位素構(gòu)成與年代在大約45億年前（太陽系形成時期）的CV3碳粒隕石的這一構(gòu)成完全匹配。這一檢測結(jié)果，再加上微粒中存在只能在高溫高壓下形成的一種硅土礦物質(zhì)，就強烈暗示這種礦物質(zhì)形成于兩顆小行星在太空中的高速碰撞，碰撞產(chǎn)生的物質(zhì)隨后落到地球上。如此看來，準晶體在自然界中的確存在，但它們的發(fā)源地并非是地球。

這個樣本有多古老？它怎么會在小行星碰撞中存活下來？它是唯一的天然準晶體，還是有很多種這樣的準晶體，只是我們還沒有找到？為了找到答案，斯坦哈特就必須去露營。于是，在2011年的一天，他決定要去這個標本的“老家”尋找答案。

但他首先得決定露營地在哪里。一張寫著“科里亞克山脈”的標簽根本沒有什么幫助——這是西伯利亞最大的山脈。賓迪當年的購買記錄中說，這塊巖石是1990年由阿姆斯特丹收藏家尼科·寇克寇克賣給他所在博物館的1萬塊巖石樣本之一。但這條線索起初也沒有多大作用，因為找不到寇克寇克。

通過不厭其煩的調(diào)查，斯坦哈特還是發(fā)現(xiàn)了另一個鋁鋅銅礦樣本。它是俄羅斯圣彼得堡一家博物館的藏品之一，不允許拿去做衍射顯微鏡檢測。它是由蘇聯(lián)鉑金研究院前領(lǐng)導(dǎo)、后來移民以色列的列奧尼德·拉辛捐贈給這家博物館的。但當斯坦哈特聯(lián)系到他時，他卻稱自己對那個鋁鋅銅礦樣本一無所知。這樣，又一根線索斷了。

山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村。賓迪向一個來自阿姆斯特丹的熟人說起他們對準晶體的找尋，此人恰好就住在一位叫寇克寇克夫人的街對面。隨后發(fā)現(xiàn)，她正是尼科·寇克寇克的遺孀。賓迪立即前往阿姆斯特丹造訪她，說服她分享她丈夫的秘密日記。他們發(fā)現(xiàn)，這塊鋁鋅銅礦是由羅馬尼亞巖石商蒂姆賣給寇克寇克的，而蒂姆又是從拉辛手中得到它的。

如此看來，賓迪所在博物館收藏的這塊鋁鋅銅礦樣本與圣彼得堡博物館收藏的同類樣本是相關(guān)的。雖然拉辛拒絕提供線索，但經(jīng)過曲折的過程，斯坦哈特團隊最終還是得到了線索，找到了對這塊巖石來源的唯一知情者——瓦內(nèi)利·克里亞奇科。

克里亞奇科被找到時已60多歲。1979年，拉辛派他去科里亞克山脈的李斯特維尼脫河淘沙取鉑金?？死飦喥婵苹藬?shù)天篩洗河邊的藍綠色黏土，發(fā)現(xiàn)了黃金、泥漿和其他奇異發(fā)光的巖石，但沒有找到鉑金。為證明他沒有偷懶，他帶回了一些奇異的巖石。

此后他再也沒見到這些巖石。拉辛把它們帶到了圣彼得堡，然后把它們賣給了收藏者。斯坦哈特說，拉辛或許自認為很聰明，但他實際上虧慘了。這不足為奇——當時根本就沒人聽說過準晶體。

斯坦哈特團隊終于找到了這次露營的地點。隨后，贊助款大筆大筆地到來。他們發(fā)現(xiàn)，許多富商對兩樣東西特別感興趣——恐龍和流星。而他們最需要找到對隕石感興趣的人。2011年7月22日，斯坦哈特、賓迪和克里亞奇科來到位于西伯利亞最東邊的一個偏遠城鎮(zhèn)——安納迪爾，隨行者包括斯坦哈特的兒子小斯坦哈特，以及來自美國和俄羅斯的其他6名科學家、兩名卡車司機、一名協(xié)助他們通過法律關(guān)口的律師兼隨隊廚師，以及這名律師的寵物貓。

到達“露營地”的路途長達4天。說是路，其實根本就不是路。在蚊子多得可以阻擋視線的荒野中，他們坐在“雪貓”（加裝了毛毛蟲狀胎面的退役坦克）上前行。他們吃蘑菇、罐裝肉和從沿路河中捕來的魚。最終，他們來到了克里亞奇科幾十年前發(fā)現(xiàn)鋁鋅銅礦的地方。他們在河邊荒地的中心駐扎下來。

發(fā)掘的第一天，在挖掘又厚又硬的泥巴時，他們有兩只鏟子挖斷了。最終，他們用鏟刀和刀子從結(jié)冰的河中取到了泥巴。他們把泥巴煮沸后淘洗，去掉水和較大的巖石塊，再不斷淘洗、篩選，在每天工作結(jié)束時只得到極少量的細粉塵微粒。當時除了賓迪很樂觀之外，幾乎無人相信能找到準晶體。

回到普林斯頓后，這種樂觀才被證實。疑似準晶體的樣本中，有9個顆粒被證實來自于1.5萬年前～8000年前闖進地球大氣層的隕星，其中4個包含準晶體。但這帶來了更多奧秘：除了準晶體之外，這些隕石材料中還含有單獨的鋁，這樣的現(xiàn)象在自然條件下罕有發(fā)生（這是由于鋁很容易被氧化）。更奇怪的是，這些隕石材料中還含有金屬銅，而金屬銅的形成條件通常與鋁的形成條件截然不同。那么，這些鋁和銅是從哪兒來的？一種可能性是，它們來自于一顆被較小巖石撞擊的較大的小行星，相撞后的碎片掉在地球上。相撞時，小行星的一部分被加熱到足夠熔化含鋁和銅的礦物質(zhì)的程度，從而釋放這些金屬并產(chǎn)生準晶體。在太空的冰冷條件下，巖石迅速冷卻，巖石顆粒得以存活下來并最終落到地球上。

從這個意義上說，斯坦哈特等人對準晶體的找尋迄今為止是不成功的。準晶體微粒的形成竟然經(jīng)歷了宇宙中的撞擊、與地球大氣層摩擦的烈焰之旅以及在永久凍土中蜷縮成千上萬年，如此磨難過程說明準晶體的誕生絕非易事。但這并不會讓斯坦哈特父子及其團隊退縮。既然已經(jīng)知道準晶體就是隕石，而隕石落在哪里都有可能，所以在近處找也無妨。另外，既然已經(jīng)找到了一種天然準晶體，那么找到第二種、第三種甚至更多種即便不是理所當然，也并非沒有可能。

被嘲笑者贏得諾貝爾獎

結(jié)晶材料一般由晶胞（晶胞是指構(gòu)成晶格的最基本幾何單元。晶格是指晶體內(nèi)部原子排列的具體形式。請參見文末名詞解釋）組成。晶體中的原子排列模式具有三維空間的周期性，隔一定的距離重復(fù)出現(xiàn)。這種晶體結(jié)構(gòu)使得石墨成為一種很好的潤滑劑。

1982年4月8日早晨，在美國工作的以色列工學院科學家丹尼爾·舍特曼在觀察一種迅速冷卻的金屬合金晶體的電子顯微鏡圖像時，發(fā)現(xiàn)了完全不同的東西：這種合金中的原子排列模式不重復(fù)。舍特曼當時不禁自言自語：“不可能有這種玩意兒?！边@類看似古怪的結(jié)構(gòu)如今被稱為“準晶體結(jié)構(gòu)”，并且這類結(jié)構(gòu)已在多種材料中被發(fā)現(xiàn)。不均衡的結(jié)構(gòu)使得準晶體尤其堅硬。

舍特曼的這個發(fā)現(xiàn)顯然背離關(guān)于晶體的“經(jīng)典理論”，所以他“理所當然”遭到了嘲笑。尤其是科學巨擎、兩次諾貝爾獎得主萊納斯·鮑林對他發(fā)起了令人害怕的“征戰(zhàn)”。鮑林不僅否認準晶體之類的東西存在，而且揶揄舍特曼不懂科學。舍特曼所在研究團隊也要他回去重讀教科書，并且不要再回團隊，以免讓整個團隊“蒙羞”。

孰料，因為對準晶體的發(fā)現(xiàn)，舍特曼最終贏得了2011年諾貝爾化學獎，獎金為150萬美元。諾貝爾委員會在頒給他這一獎項時說：“他（指舍特曼）的發(fā)現(xiàn)極具爭議性。舍特曼對傳統(tǒng)科學理論發(fā)動了一場鏖戰(zhàn)。他的戰(zhàn)斗最終迫使科學家們重新思考他們對事物本質(zhì)的觀念——永不重復(fù)自己的規(guī)則模式是存在的?！倍@個模式正是準晶體模式。

科學家們曾經(jīng)以為固體只有兩種狀態(tài)：晶體，例如鉆石，它們的原子精確排列；非晶體，例如金屬，它們的原子排列沒有特定順序。準晶體卻提供了第三種可能性，打開了一扇通往新型材料的大門。迄今為止，實驗室中已經(jīng)合成了數(shù)百種準晶體。

科學家解釋說，晶體中的原子排列很對稱。而在準晶體中，這種對稱性被打破。準晶體結(jié)構(gòu)中有規(guī)則的模式，但絕不重復(fù)。在一些阿拉伯馬賽克（鑲嵌畫）中也能看到這樣的現(xiàn)象。阿拉伯馬賽克中的模式有一種耐人尋味的特征，就是被稱為“黃金分割率”的數(shù)學常數(shù)，而這個常數(shù)在自然界中比比皆是，其背后是13世紀就已發(fā)現(xiàn)的斐波那契數(shù)列，即數(shù)列中每個數(shù)都是其前面兩個數(shù)的和。

諾貝爾委員會指出，準晶體的存在意味著有關(guān)晶體的教科書都需要改寫，這是一種觀念的徹底轉(zhuǎn)變。事實上，自從伽利略被傳統(tǒng)科學嘲弄，并且因為觀測到的確如哥白尼所說的那樣——是地球繞著太陽轉(zhuǎn)（而不是反之）而被教會迫害以來，推翻傳統(tǒng)觀念從來都不容易。這，也許正是舍特曼獲獎的根本理由。