走近諾貝爾獎(jiǎng) （十一）“準(zhǔn)科學(xué)家”與他的準(zhǔn)晶體

楊先碧

1982年，以色列材料學(xué)家謝赫特曼發(fā)現(xiàn)了一種不合常理的另類(lèi)固態(tài)物質(zhì)，那就是介于晶體和非晶體之間的準(zhǔn)晶體。因?yàn)樘魬?zhàn)了當(dāng)時(shí)的科學(xué)“常識(shí)”，謝赫特曼被斥為“胡言亂語(yǔ)”的“準(zhǔn)科學(xué)家”。

當(dāng)我告訴人們，我發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體的時(shí)候，所有人都取笑我?！币陨胁牧蠈W(xué)家達(dá)尼埃爾·謝赫特曼說(shuō)。在2011年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉之前，很少有人能猜得出獲獎(jiǎng)?wù)呤强茖W(xué)界鼎鼎有名的“竇娥”。他曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了連科學(xué)家也難以理解的準(zhǔn)晶體，并且“頑固”地堅(jiān)持自己的發(fā)現(xiàn)是正確的。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(chēng)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(shū)中都寫(xiě)著：固體材料分為晶體和非晶體兩種。那么，有沒(méi)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材料——“準(zhǔn)晶體”。準(zhǔn)晶體中內(nèi)部原子的排列很有規(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30多年前的那個(gè)春天說(shuō)起。1982年4月，謝赫特曼在美國(guó)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)合金材料的研究。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(chēng)軸。也就是說(shuō)，電子衍射照片在旋轉(zhuǎn)36°（十分之一圈）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(lái)，在涉及晶體結(jié)構(gòu)的相關(guān)教科書(shū)里明確寫(xiě)著：“晶體里不存在5次或10次對(duì)稱(chēng)軸?！?然而，似乎不可能出現(xiàn)的現(xiàn)象卻實(shí)實(shí)在在地出現(xiàn)了。因此，謝赫特曼對(duì)自己拍攝到的照片感到十分疑惑，還在實(shí)驗(yàn)記錄的“10次”后面打了個(gè)大大的 “？”。

一般來(lái)說(shuō)，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?lái)歡呼。但是，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(kāi)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(chēng)軸，甚至還發(fā)現(xiàn)了5次對(duì)稱(chēng)軸。

在他人嘲笑中堅(jiān)持

懷著惶恐和不安，謝赫特曼就像祥林嫂那樣見(jiàn)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(méi)有人支持他。這事傳到了實(shí)驗(yàn)室主管的耳朵里，實(shí)驗(yàn)室主管甚至大發(fā)雷霆，把謝赫特曼叫到他的辦公室，扔給了他一本晶體學(xué)教材，并對(duì)他說(shuō)：“你為什么不重新復(fù)習(xí)一下這些教材？你說(shuō)的那些是不可能發(fā)生的?！北M管沒(méi)有得到支持，但謝赫特曼還是認(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。

由于謝赫特曼執(zhí)著于對(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)有些后悔，因?yàn)樗麄儾恢喇?dāng)時(shí)解雇的是未來(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)得主）。謝赫特曼心情沮喪地離開(kāi)了美國(guó)，回到自己攻讀學(xué)士、碩士和博士的母校——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)他為教授。

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(guò)1年多的研究，于1984年發(fā)表了一篇描述制作準(zhǔn)晶體的具體方法的論文。在當(dāng)時(shí)，發(fā)表這篇論文是十分艱難的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界并不接納準(zhǔn)晶體這個(gè)概念。他們最終只好把論文發(fā)表在一本二流學(xué)術(shù)期刊上。然而，這篇論文仍舊沒(méi)有打消一些知名科學(xué)家對(duì)準(zhǔn)晶體理論的質(zhì)疑。

盡管謝赫特曼的母校支持他的研究，但是當(dāng)時(shí)謝赫特曼在學(xué)術(shù)界是十分孤立的，國(guó)際上大多數(shù)科學(xué)家都反對(duì)準(zhǔn)晶體理論。雖然反對(duì)者眾多，但謝赫特曼仍然沒(méi)有放棄自己的研究發(fā)現(xiàn)。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——美國(guó)著名化學(xué)家萊納斯·鮑林，他曾經(jīng)獲得1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)和1962年諾貝爾和平獎(jiǎng)。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)，這項(xiàng)理論也曾經(jīng)遭受非議。

鮑林曾經(jīng)在一場(chǎng)新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“謝赫特曼在胡說(shuō)。沒(méi)有準(zhǔn)晶體這種東西，只有準(zhǔn)科學(xué)家。”鮑林還發(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(shū)里。由于鮑林在國(guó)際化學(xué)界影響很大，因此，他給謝赫特曼“準(zhǔn)科學(xué)家”的稱(chēng)謂不脛而走。多年以后，謝赫特曼的一些朋友還拿這個(gè)稱(chēng)號(hào)來(lái)打趣他。

終于獲得科學(xué)界的認(rèn)可

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(wú)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(guó)家的研究人員陸續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中以謝赫特曼描述的方法制造出了不同物質(zhì)的準(zhǔn)晶體，有些研究人員還開(kāi)發(fā)出了新的制造方法。1987年，法國(guó)和日本科學(xué)家制出足夠大的準(zhǔn)晶體，可以經(jīng)由X射線和電子顯微鏡直接觀察到這準(zhǔn)種晶體。至此，謝赫特曼的理論終于得到科學(xué)界的認(rèn)可。

為什么其他研究人員不相信有準(zhǔn)晶體這種材料存在呢？一方面，因?yàn)闇?zhǔn)晶體內(nèi)的對(duì)稱(chēng)軸打破了常識(shí)；另一方面，更為重要的是，晶體和非晶體在自然界中隨處可見(jiàn)，而準(zhǔn)晶體卻難尋蹤跡。人們總是有“眼見(jiàn)為實(shí)”的觀念。

2009年，事情終于出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。美國(guó)普林斯頓大學(xué)的物理學(xué)教授保羅·斯坦哈特在俄羅斯東部的哈泰爾卡湖中，首次發(fā)現(xiàn)了具有準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)的天然物質(zhì)。這是一塊來(lái)自太空的隕石，是由鋁、銅、鐵三種金屬組成的合金，和實(shí)驗(yàn)室中合成的準(zhǔn)晶體組成一樣，而且這些合金顆粒的結(jié)晶程度都非常好。

之后，科學(xué)家在工業(yè)生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體。2010年，瑞典一家企業(yè)在一種特種鋼中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體，目前這種鋼主要用于生產(chǎn)剃須刀片和眼科手術(shù)用的手術(shù)針。天然準(zhǔn)晶體和工業(yè)材料準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)，終于打消了人們對(duì)準(zhǔn)晶體的疑慮。

保羅·斯坦哈特教授表示：“謝赫特曼的發(fā)現(xiàn)徹底顛覆了過(guò)去200多年科學(xué)界對(duì)固體分類(lèi)的認(rèn)知，這是一個(gè)引人注目的重大發(fā)現(xiàn)?！薄皽?zhǔn)晶體”這一術(shù)語(yǔ)也是由斯坦哈特提出的，在謝赫特曼發(fā)表其發(fā)現(xiàn)后，斯坦哈特一直在進(jìn)行準(zhǔn)晶體領(lǐng)域的理論研究工作。

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(lái)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)了謝赫特曼研究成果的同時(shí)，也對(duì)全世界科學(xué)家發(fā)出了警告：“即使是最偉大的科學(xué)家也會(huì)陷于傳統(tǒng)藩籬的桎梏中。因此，保持開(kāi)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)?！?/p>

此時(shí)，曾經(jīng)嚴(yán)重傷害過(guò)謝赫特曼的鮑林已經(jīng)謝世17年了。鮑林在1994年去世，他在去世之前一直沒(méi)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。

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？這種材料本來(lái)就是謝赫特曼在研究高強(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(méi)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(kāi)始應(yīng)用于航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，用于制造牢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。一些研究人員正在嘗試?yán)脺?zhǔn)晶體捕捉汽車(chē)廢棄的熱量，將其轉(zhuǎn)化為汽車(chē)電池的電能。利用其表面不粘的特性，它可以用于制作煎鍋表面涂層。

在隔熱性能方面，相比泡沫、纖維、金、銀、鎳和鋁箔等傳統(tǒng)隔熱材料，準(zhǔn)晶體具有密度小、耐蝕和耐氧化的優(yōu)點(diǎn)，在航空和汽車(chē)工業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)等部件中，有非常大的應(yīng)用價(jià)值。以前，航空航天工業(yè)中，飛機(jī)座艙和駕駛艙內(nèi)常用泡沫塑料、超細(xì)玻璃纖維、高硅氧棉等材料，而現(xiàn)在，科學(xué)家們正研究用準(zhǔn)晶體材料來(lái)替代這些傳統(tǒng)材料。

此外，準(zhǔn)晶體還被用作太陽(yáng)能工業(yè)薄膜材料。因?yàn)闇?zhǔn)晶體具有特殊的光學(xué)性能和足夠的熱穩(wěn)定性，可應(yīng)用于太陽(yáng)熱能工業(yè)。目前，各國(guó)化學(xué)家也正在研究準(zhǔn)晶體材料在真空鍍膜、離子注入、激光處理、電子轟擊、電鍍等方法制備準(zhǔn)晶膜的應(yīng)用。

有趣的是，把光的豐富的色彩與準(zhǔn)晶體獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將表現(xiàn)出非凡的藝術(shù)性。在許多領(lǐng)域的研究中所呈現(xiàn)的準(zhǔn)晶圖樣，如準(zhǔn)晶聚合物結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)晶的衍射圖樣和光子準(zhǔn)晶中諧振狀態(tài)的分布強(qiáng)度等，都有很高的藝術(shù)欣賞價(jià)值。一些藝術(shù)家還從準(zhǔn)晶中獲取靈感，把準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)圖樣用于建筑、繪畫(huà)和雕塑等藝術(shù)創(chuàng)作中。

達(dá)尼埃爾·謝赫特曼，以色列材料學(xué)家，1941年出生于以色列的特拉維夫。在以色列理工學(xué)院取得機(jī)械工程學(xué)士后，又接連取得材料科學(xué)碩士與博士學(xué)位?，F(xiàn)任以色列理工學(xué)院菲利普托比亞斯材料科學(xué)教授、美國(guó)能源部埃姆斯實(shí)驗(yàn)室助理、艾奧瓦州立大學(xué)材料科學(xué)教授。1996年當(dāng)選以色列科學(xué)院院士，2000年當(dāng)選美國(guó)國(guó)家工程院院士，2004年當(dāng)選歐洲科學(xué)院院士。