走近諾貝爾獎 （十一）“準科學家”與他的準晶體

楊先碧

1982年，以色列材料學家謝赫特曼發現了一種不合常理的另類固態物質，那就是介于晶體和非晶體之間的準晶體。因為挑戰了當時的科學“常識”，謝赫特曼被斥為“胡言亂語”的“準科學家”。

當我告訴人們，我發現了準晶體的時候，所有人都取笑我。”以色列材料學家達尼埃爾·謝赫特曼說。在2011年諾貝爾化學獎揭曉之前，很少有人能猜得出獲獎者是科學界鼎鼎有名的“竇娥”。他曾經發現了連科學家也難以理解的準晶體，并且“頑固”地堅持自己的發現是正確的。他也因此受到科學界的排擠，著名的化學家鮑林甚至稱他為“準科學家”。將近30年后，這位準科學家卻站到科學界最高的領獎臺上。

打破常識的發現

有關材料學的教科書中都寫著：固體材料分為晶體和非晶體兩種。那么，有沒有一種固體材料既不是晶體又不是非晶體呢？謝赫特曼就發現了這樣一種介于晶體和非晶體之間的材料——“準晶體”。準晶體中內部原子的排列很有規律，但是不會重復排列。

那么，謝赫特曼是如何找到準晶體這種特殊材料的呢？那得從30多年前的那個春天說起。1982年4月，謝赫特曼在美國約翰·霍普金斯大學擔任助理教授，他從事的是航空用高強合金材料的研究。他在研究一種鋁錳合金時，發現其中的“晶體”有些不守規矩。謝赫特曼拍攝的有關這種材料的電子衍射照片顯示，這種物質存在10次對稱軸。也就是說，電子衍射照片在旋轉36°（十分之一圈）后，才能使旋轉前后的照片上的衍射斑點完全重合在一起。

100多年來，在涉及晶體結構的相關教科書里明確寫著：“晶體里不存在5次或10次對稱軸。” 然而，似乎不可能出現的現象卻實實在在地出現了。因此，謝赫特曼對自己拍攝到的照片感到十分疑惑，還在實驗記錄的“10次”后面打了個大大的 “？”。

一般來說，科學家有了新的發現會十分興奮，甚至會像阿基米德那樣從浴盆里跳出來歡呼。但是，謝赫特曼一點也不興奮，因為他的新發現違背了“金科玉律”。難道是自己的實驗出現了偏差？謝赫特曼開始重復自己的實驗，多次重復之后，結論還是一樣。他不但發現了一些固體物質中的10次對稱軸，甚至還發現了5次對稱軸。

在他人嘲笑中堅持

懷著惶恐和不安，謝赫特曼就像祥林嫂那樣見人就描述他的新發現，希望能夠得到他人的支持。然而，沒有人支持他。這事傳到了實驗室主管的耳朵里，實驗室主管甚至大發雷霆，把謝赫特曼叫到他的辦公室，扔給了他一本晶體學教材，并對他說：“你為什么不重新復習一下這些教材？你說的那些是不可能發生的。”盡管沒有得到支持，但謝赫特曼還是認為自己發現了固體物質的第三種形式，那就是除晶體、非晶體之外的準晶體。

由于謝赫特曼執著于對準晶體的研究，謝赫特曼被約翰·霍普金斯大學解雇了（如今校方或許會有些后悔，因為他們不知道當時解雇的是未來的諾貝爾獎得主）。謝赫特曼心情沮喪地離開了美國，回到自己攻讀學士、碩士和博士的母校——以色列理工學院。母校以博大的胸懷接納了這位海外游子，并聘請他為教授。

謝赫特曼還在母校找到了一個得力的助手伊蘭·布勒希。他們經過1年多的研究，于1984年發表了一篇描述制作準晶體的具體方法的論文。在當時，發表這篇論文是十分艱難的，因為當時學術界并不接納準晶體這個概念。他們最終只好把論文發表在一本二流學術期刊上。然而，這篇論文仍舊沒有打消一些知名科學家對準晶體理論的質疑。

盡管謝赫特曼的母校支持他的研究，但是當時謝赫特曼在學術界是十分孤立的，國際上大多數科學家都反對準晶體理論。雖然反對者眾多，但謝赫特曼仍然沒有放棄自己的研究發現。在所有反對者中，反對最激烈、聲望最高的居然是一位兩度獲得諾貝爾獎的科學家——美國著名化學家萊納斯·鮑林，他曾經獲得1954年諾貝爾化學獎和1962年諾貝爾和平獎。有趣的是，鮑林的獲獎成果之一的“共振論”也是打破了物質結構研究領域的常規，這項理論也曾經遭受非議。

鮑林曾經在一場新聞發布會上說：“謝赫特曼在胡說。沒有準晶體這種東西，只有準科學家。”鮑林還發表了不少晶體結構方面的文章，想方設法要把謝赫特曼的準晶體歸納到傳統的晶體學教科書里。由于鮑林在國際化學界影響很大，因此，他給謝赫特曼“準科學家”的稱謂不脛而走。多年以后，謝赫特曼的一些朋友還拿這個稱號來打趣他。

終于獲得科學界的認可

要成就一項新的科學發現，需要能夠重復相關的實驗，否則就是無稽之談。好在謝赫特曼向科學界描述了如何制造準晶體的方法。一些國家的研究人員陸續在實驗室中以謝赫特曼描述的方法制造出了不同物質的準晶體，有些研究人員還開發出了新的制造方法。1987年，法國和日本科學家制出足夠大的準晶體，可以經由X射線和電子顯微鏡直接觀察到這準種晶體。至此，謝赫特曼的理論終于得到科學界的認可。

為什么其他研究人員不相信有準晶體這種材料存在呢？一方面，因為準晶體內的對稱軸打破了常識；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，而準晶體卻難尋蹤跡。人們總是有“眼見為實”的觀念。

2009年，事情終于出現了轉機。美國普林斯頓大學的物理學教授保羅·斯坦哈特在俄羅斯東部的哈泰爾卡湖中，首次發現了具有準晶體結構的天然物質。這是一塊來自太空的隕石，是由鋁、銅、鐵三種金屬組成的合金，和實驗室中合成的準晶體組成一樣，而且這些合金顆粒的結晶程度都非常好。

之后，科學家在工業生產中也發現了準晶體。2010年，瑞典一家企業在一種特種鋼中發現了準晶體，目前這種鋼主要用于生產剃須刀片和眼科手術用的手術針。天然準晶體和工業材料準晶體的發現，終于打消了人們對準晶體的疑慮。

保羅·斯坦哈特教授表示：“謝赫特曼的發現徹底顛覆了過去200多年科學界對固體分類的認知，這是一個引人注目的重大發現。”“準晶體”這一術語也是由斯坦哈特提出的，在謝赫特曼發表其發現后，斯坦哈特一直在進行準晶體領域的理論研究工作。

謝赫特曼在得知自己獲得了諾貝爾獎時，用“天崩地裂”來形容自己的欣喜和意外之情，因為他已經習慣了他人多年的嘲笑和排擠。諾貝爾獎評選委員會在高度評價了謝赫特曼研究成果的同時，也對全世界科學家發出了警告：“即使是最偉大的科學家也會陷于傳統藩籬的桎梏中。因此，保持開放的頭腦、敢于質疑現有認知是科學家最重要的品質。”

此時，曾經嚴重傷害過謝赫特曼的鮑林已經謝世17年了。鮑林在1994年去世，他在去世之前一直沒有接受謝赫特曼的準晶體理論。假如他能活到今天，不知道他對諾貝爾獎評選委員會的警告作何感想。

準晶體是特種材料

我們都知道晶體材料和非晶體材料在實際生活和工業生產中應用十分廣泛，那么準晶體材料有實際用途嗎？這種材料本來就是謝赫特曼在研究高強度航空合金材料時發現的。事實證明，準晶體的強度特別大，表面基本沒有摩擦力，不易與其他物質發生反應，不易被氧化而生銹。

目前，準晶體作為特種材料開始應用于航空航天、軍事、醫學等領域，用于制造牢固的儀器和武器的部件。作為熱和電的不良導體，準晶體還可用于制作溫差電材料，可把熱能轉換為電能。一些研究人員正在嘗試利用準晶體捕捉汽車廢棄的熱量，將其轉化為汽車電池的電能。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、鎳和鋁箔等傳統隔熱材料，準晶體具有密度小、耐蝕和耐氧化的優點，在航空和汽車工業的發動機等部件中，有非常大的應用價值。以前，航空航天工業中，飛機座艙和駕駛艙內常用泡沫塑料、超細玻璃纖維、高硅氧棉等材料，而現在，科學家們正研究用準晶體材料來替代這些傳統材料。

此外，準晶體還被用作太陽能工業薄膜材料。因為準晶體具有特殊的光學性能和足夠的熱穩定性，可應用于太陽熱能工業。目前，各國化學家也正在研究準晶體材料在真空鍍膜、離子注入、激光處理、電子轟擊、電鍍等方法制備準晶膜的應用。

有趣的是，把光的豐富的色彩與準晶體獨特的幾何結構相結合，將表現出非凡的藝術性。在許多領域的研究中所呈現的準晶圖樣，如準晶聚合物結構、準晶的衍射圖樣和光子準晶中諧振狀態的分布強度等，都有很高的藝術欣賞價值。一些藝術家還從準晶中獲取靈感，把準晶體的結構圖樣用于建筑、繪畫和雕塑等藝術創作中。

達尼埃爾·謝赫特曼，以色列材料學家，1941年出生于以色列的特拉維夫。在以色列理工學院取得機械工程學士后，又接連取得材料科學碩士與博士學位。現任以色列理工學院菲利普托比亞斯材料科學教授、美國能源部埃姆斯實驗室助理、艾奧瓦州立大學材料科學教授。1996年當選以色列科學院院士，2000年當選美國國家工程院院士，2004年當選歐洲科學院院士。