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“当我告诉人们,我发现了准晶体的时候,所有人都嘲笑我。但我并不在意,我知道我是对的,他们是错的,时间终于证明了这一点。”

    ——谢赫特曼

    据国外媒体报道,瑞典皇家科学院10月5日宣布,以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现“准晶体”而独享2011年诺贝尔化学奖以及1000万瑞典克朗(约146万美元)的奖金。

    诺贝尔化学奖评选委员会主席拉尔斯·特兰德等人解释道,1982年4月8日,谢赫特曼首次在电子显微镜下观察到一种“反常”现象:铝锰合金的原子采用一种不重复、非周期性但对称有序的方式排列。

    而当时人们普遍认为,晶体内的原子都以周期性不断重复的对称模式排列,这种重复结构是形成晶体所必须的,自然界中不可能存在具有谢赫特曼发现的那种原子排列方式的晶体。因此,谢赫特曼的发现一经发表,便饱受批评和诟病,他也被迫离开所在的研究小组。

    瑞典皇家科学院表示:“尽管如此,他的发现促使科学家重新思考对固体物质结构的认知。”随后,科学家们在实验室中制造出了越来越多的各种准晶体,并于2009年首次发现了纯天然准晶体。现在,准晶体已在很多应用领域“大展拳脚”,可用来制造不粘锅、发光二极管、热电转化设备等。

    美国普林斯顿大学的教授保罗·斯坦哈特表示:“谢赫特曼的发现彻底颠覆了具有200多年历史的认知,是一个引人瞩目的重大发现。”“准晶体”这一术语由斯坦哈特提出,在谢赫特曼发表其发现之前,斯坦哈特一直在进行准晶体领域的理论研究工作。

    据英国《新科学家》网站10月5日报道,诺贝尔化学奖评选委员会高度评价了谢赫特曼研究的原创性,同时,也对全世界科学家们发出了警告:“即使最伟大的科学家也会陷于传统藩篱的桎梏中,保持开放的头脑、敢于质疑现有认知是科学家最重要的品质。”

    被主流科学界放逐的“准科学家”

    谢赫特曼1941年生于以色列特拉维夫,1972年从以色列工学院获得博士学位,目前是该校材料学教授,他也是美国爱荷华州立大学的教授、美国能源部阿姆斯国家实验室的研究员。

    “当时,所有人都嘲笑我,但我深信自己是对的,他们是错的。”

    1982年4月8日,41岁的谢赫特曼正在美国霍普金斯大学从事研究工作,他发现的“准晶体”原子结构打破了传统晶体内原子结构必须具有重复性这一黄金法则,在科学界引起轩然大波。来自主流科学界、权威人物的质疑和嘲笑不断向他涌来。

    “我被赶出了自己所在的研究团队,同事们说我的研究让他们蒙羞。”谢赫特曼回忆说,“对此,我并不在意,我深信自己是对的,他们是错的。”

    “的确,那时候,人们根本不接受那种晶体的存在。”美国化学协会主席纳西·杰克逊接受美国《纽约时报》采访时表示:“因为他们认为这违反了自然‘规则’。”

    后来,谢赫特曼回到以色列并和一名同事携手撰写文章描述他的发现。这篇文章刚开始也没有逃脱被拒绝的命运,最终于1984年11月面世,随后在科学界引起巨大涟漪。包括著名化学家、两届诺贝尔奖得主莱纳斯·鲍林在内的一些化学界权威纷纷质疑谢赫特曼的发现。

    “他(鲍林)公开说:达尼埃尔·谢赫特曼在胡言乱语,根本没有什么准晶体,只有‘准科学家’。”谢赫特曼回忆说。

    即便如此,谢赫特曼也并未动摇自己的信念。1987年,法、日科学家成功地在实验室中制造出了大到足以被X射线观察到的准晶体结构,证实了谢赫特曼的发现。

    “鲍林确实是一名伟大的科学家,但这次,他错了。”谢赫特曼说。

    被主流科学界放逐多年之后,谢赫特曼终于“沉冤得雪”,获得了科学界最大的拥抱和认可。瑞典皇家科学院表示,他的发现“彻底改变了化学家们对固体物质的看法”。

    谢赫特曼的研究也改变了晶体的定义。以前,国际晶体学联合将晶体定义为拥有“规则有序、重复三维图案”的固体,而1992年,该定义被修改为“仅仅是一种衍射图谱呈现明确图案的固体”。

    另类的“准晶体”用途广泛

    根据传统晶体学认知,晶体内部的原子排列具有3次、4次和6次对称性。以4次对称为例,即每个原子被4个原子包围,若在中心画一条直线,每转90度就会重复一次。这些原子排列再按一定规律重复就构成晶体。但5次、7次及以上的对称因无法做到重复,因此,科学界一直认为,自然界中不可能存在这种晶体。

    美国《纽约时报》网站10月5日的报道称,1982年,谢赫特曼在进行“衍射光栅”实验时,让电子通过铝锰合金进行衍射,结果发现无数个同心圆各被10个光点包围,恰恰就是一个10次对称。谢赫特曼当时认为“这是不可能的”,还在笔记本上写道:“10次?”

    然而,1987年,法国和日本科学家成功地在实验室中制造出了准晶体结构;2009年,科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物样本中发现了天然准晶体的“芳踪”,这种名为icosahedrite(取自正二十面体)的新矿物质由铝、铜和铁组成;瑞典一家公司也在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体,这种钢目前被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。

    其实,这些图案早已有之。科学家们在14世纪摩尔人于西班牙建立的阿尔汉布拉宫和15世纪修建的伊朗Darb-i Imam清真寺内都发现了这种图案,它们也大量出现在荷兰画家摩里茨·科奈里斯·埃舍尔的艺术作品中。不过,科学家们一直认为晶体的原子结构不可能以这种方式排列,谢赫特曼的发现彻底颠覆了人们的这一认知。

    这种准晶体也同斐波那契序列有关,在斐波那契序列中,每个数字是前面两个数字之和。1753年,格拉斯哥大学的数学家罗伯特·辛姆森发现,随着数字的增大,两数间的比值越来越接近黄金分割率(一个与圆周率相类似的无限不循环小数,其值约为1.62)。科学家们后来也证明,准晶体中原子间的距离也完全符合黄金分割率。

    据英国《新科学家》网站10月5日报道,准晶体具有独特的属性,坚硬又有弹性、非常平滑,而且,与大多数金属不同的是,其导电、导热性很差,因此在日常生活中大有用武之地。科学家正尝试将其应用于其他产品中,比如不粘锅和发光二极管等。另外,尽管其导热性很差,但因为其能将热转化为电,因此,它们可以用作理想的热电材料,将热量回收利用,有些科学家正在尝试用其捕捉汽车废弃的热量。

    “准晶体的应用还有待于进一步开发。”谢赫特曼爱荷华州立大学的同事、同样研究准晶体的派翠西亚·泰尔接受《纽约时报》采访时表示,“但准晶体改变了我们对固体中原子结构的理解,这是一个具有革命性的科学发现。”

(科技日报)