科学界的“窦娥”与准晶体

阿碧

在2011年的诺贝尔化学奖揭晓之前，很少有人能猜得到获奖者是科学界的“窦娥”。他就是以色列材料学家达尼埃尔·谢赫特曼。1982年，谢赫特曼发现了打破晶体学常识的准晶体，当时几乎没有人相信他的这一发现，他也因此受到科学界的排挤，著名的化学家鲍林甚至称他为“准科学家”。将近30年后，这位“准科学家”却站到科学界最高的领奖台上。

打破常识的发现

有关材料学的教科书中都写到，固体材料分为晶体和非晶体两种。就拿我们常用的手机来说，手机内的金属器件是晶体，晶体中的原子按照一定的规律进行重复排列；而手机的塑料外壳是非晶体，其中的分子或原子排列杂乱无章，没有特别的规律。那么，有没有一种固体材料既不是晶体又不是非晶体呢?谢赫特曼就发现了这样一种介于晶体和非晶体之间的准晶体。准晶体中原子的排列很有规律，但是不会重复排列。

那么，谢赫特曼是如何找到准晶体这种特殊材料的呢?那得从多年前的那个春天说起。1982年4月，谢赫特曼在美国约翰·霍普金斯大学担任助理教授，他从事的是航空用高强度合金的研究。他在研究一种铝锰合金时，发现其中的“晶体”有些不守规矩。谢赫特曼拍摄的有关这种材料的电子衍射照片显示，这种物质存在10次对称轴。也就是说，电子衍射照片在旋转36°后，才能使旋转前后的照片上的衍射斑点完全重合在一起。

100多年来，在涉及晶体结构的相关教科书里明确写着：“晶体里不存在5次或10次对称轴。”然而，似乎不可能出现的现象实实在在地出现了。因此，谢赫特曼对自己拍摄到的照片十分疑惑，还在实验记录的“10次”后面打了个问号。一般来说，科学家有了新的发现会十分兴奋，甚至会像阿基米德那样从浴盆里跳出来欢呼。然而，谢赫特曼一点也不兴奋，因为他的新发现违背了“金科玉律”。难道是自己的实验出现了偏差?谢赫特曼开始重复自己的实验，多次重复之后，结论还是一样。他不但发现了一些固体物质中的10次对称轴，还发现了5次对称轴。

在他人嘲笑中坚持

惶恐不安中，谢赫特曼就像祥林嫂那样见人就描述他的新发现，希望能够得到他人的支持。然而，没有人支持他。这事传到了实验室主管的耳朵里，他大发雷霆，把谢赫特曼叫到办公室，扔给了谢赫特曼一本晶体学教材说：“你为什么不重新复习一下这些教材?你说的那些是不可能发生的。”尽管没有人支持，谢赫特曼还是认为自己发现了固体物质的第三种形式，那就是除晶体、非晶体之外的准晶体。

为什么人们不肯相信有准晶体这种材料存在呢?一方面是因为准晶体内的对称轴打破了常规。更为重要的是，晶体和非晶体在自然界中随处可见，而准晶体在自然界中难以寻觅它的踪影。人们总是有“眼见为实”的观念。直到2009年，俄罗斯研究人员才在一条河流的矿物样本中首次发现了天然准晶体。

由于不放弃对准晶体的研究，谢赫特曼被约翰·霍普金斯大学解雇了。如今校方或许会后悔，因为他们不知道当时解雇的是未来的诺贝尔奖得主。谢赫特曼怀着灰暗的心情离开了美国，回到自己攻读学士、硕士和博士学位的母校以色列理工学院。母校以博大的胸怀接纳了这位海外游子，并聘请他做教授。谢赫特曼还在母校找到了一个得力的助手伊兰·布勒希。他们经过1年多的研究，于1984年发表了一篇描述制作准晶体具体方法的论文。这篇论文的发表是十分艰难的，因为当时学术界并不接纳准晶体这个概念，他们最终只能把论文发表在一本二流学术期刊上。

尽管母校支持他的研究，但是当时谢赫特曼在学术界是十分孤立的，国际上大多数科学家都反对准晶体理论。在所有反对者中，反对最激烈、声望最高的居然是一位两度获得诺贝尔奖的科学家。他就是美国著名的化学家莱纳斯·鲍林，1954年诺贝尔化学奖和1962年诺贝尔和平奖得主。有趣的是，鲍林的获奖成果之一的“共振论”也是打破了物质结构研究领域的常规，也曾经遭受非议。

鲍林曾经在一场新闻发布会上说：“谢赫特曼在胡说。没有准晶体这种东西，只有准科学家才这样认为。”鲍林还发表了不少晶体结构方面的文章，想方设法要把谢赫特曼的准晶体归纳到传统的晶体学教科书外。由于鲍林在国际化学界影响很大，他给谢赫特曼“准科学家”的称谓不胫而走。多年以后，谢赫特曼的一些朋友还拿这个称号来打趣他。

要成就一项新的科学发现，需要能够重复相关的实验，否则就是无稽之谈。好在谢赫特曼向科学界描述了如何制造准晶体的方法，一些国家的研究人员陆续在实验室中按他描述的方法制造出不同物质的准晶体，有些研究人员还开发出了新的制造方法。1987年，法国和日本科学家制出足够大的准晶体，经由x射线和电子显微镜可以直接观察到这种准晶体。至此，谢赫特曼的理论才得到科学界的认可。

准晶体是特种材料

我们都知道晶体材料和非晶体材料在实际生活和工业生产中应用十分广泛，那么准晶体材料有实际用途吗?当然有，这种材料本来就是谢赫特曼研究高强度航空合金材料时发现的。事实证明，准晶体的强度特别大，表面基本没有摩擦力，不易与其他物质发生反应，不易被氧化而生锈。目前，准晶体作为特种材料开始应用于航空航天、军事、医学等领域，用于制造坚固的仪器和武器的部件。作为热和电的不良导体，准晶体还可用于制作温差电材料，可把热能转换为电能。利用其表面不粘的特性，它可以用于制作煎锅表面涂层。

谢赫特曼在得知自己获得了诺贝尔奖时，用“天崩地裂”来形容自己的欣喜和意外之情，因为他已经习惯了他人多年的嘲笑和排挤。诺贝尔奖评选委员会在高度评价了谢赫特曼研究的同时，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。”此时，曾经严重伤害过谢赫特曼的鲍林已经谢世17年了，他在去世之前一直没有接受谢赫特曼的准晶体理论。假如他能活到今天，不知道他对诺贝尔奖评选委员会的警告作何感想。