準晶體“改寫”了教科書

蘇云

1945年7月16日，人類歷史翻開了令人不安的新篇章——這一天，美國在新墨西哥州的一個沙漠試驗場引爆了第一顆原子彈，這意味著人類掌握了迄今為止威力最大的武器，具有了快速摧毀一個城市乃至一個國家的能力。不過，在這場大型爆炸背后，還誕生了一種不起眼的新材料，那時人們還不知道，這種新材料會給我們的生活帶來巨大的改變。

“準科學家”發現“準晶體”

出生于以色列的達尼埃爾·謝赫特曼從小就很喜歡科學。7歲時，謝赫特曼收到了祖父送的生日禮物——放大鏡，從此，他熱衷于拿著放大鏡觀察一切細小的事物，并開始了探索微觀世界的一生。長大后，謝赫特曼在以色列理工學院一直從本科讀到博士，博士畢業后，他在美國約翰·霍普金斯大學做研究。1982年，年僅41歲的謝赫特曼已經成為美國科學界矚目的年輕有為的材料學家。可是，謝赫特曼沒想到，一個新的發現讓他退步成了“準科學家”。

1982年4月的一天，謝赫特曼在實驗室用電子顯微鏡觀察一種鋁錳合金時，發現了一種具備“五重旋轉對稱”屬性的晶體。在這之前，學界普遍認為，所有晶體都是以“規律重復的周期性”結構存在的，而根據晶體學原理，周期結構只有一、二、三、四、六重對稱性，因此五重旋轉對稱的晶體不應該也不可能存在。

達尼埃爾·謝赫特曼與他的準晶體模型

謝赫特曼對自己的發現大感驚異，并將這種物質取名為“準晶體”。可是，當他將自己的發現告知其他同事時，他們并不相信他，實驗室主管甚至扔給他一本晶體學教材，要求他再重新學習基礎課程。兩次獲得諾貝爾獎的美國化學家萊納斯·鮑林不相信準晶體的存在，并嘲諷謝赫特曼為準科學家：“世界上沒有準晶體，只有準科學家。”更糟糕的是，由于謝赫特曼不放棄對準晶體的研究，他最終被約翰·霍普金斯大學解雇了。

傳統晶體學理論中，正五邊形原子無法形成晶體。

鋁錳合金原子排列圖

即便如此，謝赫特曼仍然堅持自己的發現，他將自己的研究成果發表在一些期刊上，向科學界描述了制造準晶體的方法，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，法國和日本的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種晶體。2009年，科學家們在俄羅斯東部的河流中發現了天然準晶體礦物。至此，謝赫特曼的理論才得到科學界的認可。

準晶體的特性

準晶體，顧名思義是一種介于晶體和非晶體之間的固體結構。它之所以如此奇特，是因為它具有與晶體不同的原子排列方式。

普通晶體具有的是二次、三次、四次或六次旋轉對稱性，也就是說，在原子或電子旋轉180°、120°、90°或60°后，能與旋轉前的狀態完全重合在一起。但是準晶體具有其他的對稱性，例如五次對稱性或者十次對稱性。比如，謝赫特曼發現的準晶體，就具有十次對稱性，電子衍射照片在旋轉36°（十分之一周）后，才能使旋轉前后的照片上的衍射斑點完全重合在一起。

科學家過去認為，晶體不可能具有五次對稱性或者十次對稱性，因為這是一種能量不穩定的狀態。就像鋪瓷磚，瓷磚的中心點的角度之和等于360°，人們有許多種鋪陳的方式，比如六個等邊三角形、四個正方形，甚至可能是三個正六邊形。然而，用正五邊形瓷磚平鋪卻不太容易，正五邊形的每個內角為108°，用三個五邊形會鋪不滿，四個五邊形會出現重疊。同樣的原因，八邊形、十邊形和十二邊形具有相同的麻煩，而晶體的結構也遵循這樣的規律——因此一開始，科學家不敢相信謝赫特曼的發現，直到事實證明了準晶體的存在。

在制造準晶體的過程中，科學家發現，在適當的高溫和高壓的作用下，原子可以變形以填充按照正五邊形或正十邊形結構平鋪時剩余的間隙，這樣準晶體就誕生了。

核爆與準晶體

現在，我們已經知道，準晶體的誕生需要極端的條件，因此自然界中天然的準晶體非常少，以至于人們在確定晶體的定義后很久才發現了準晶體。但是，在準晶體發現之前，人們就已經制造出它了——最近，意大利佛羅倫薩大學的地質學家盧卡·賓迪領導的研究團隊首先找到了最早的人造準晶體。

賓迪認為，核爆炸的沖擊波可能可以制造準晶體，因此他帶領團隊在新墨西哥州阿拉莫戈多試驗場附近的沙漠中尋找準晶體。盡管準晶體并不常見，但現在科學家已經看到過足夠多樣本，知道它們往往含有金屬元素，因此該團隊主要在含有銅的三硝石礦石中尋找準晶體。利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射等技術，他們分析了6個三硝石樣品，最后，他們在其中一個樣品中有所收獲——由硅、銅、鈣和鐵組成的微小的二十面晶粒，具有在傳統晶體中不可能有的五次旋轉對稱性，也即準晶體的獨有特征。

1945年7月16日，美軍在新墨西哥州沙漠中進行了世界上第一次核彈試驗，在幾分之一秒內，核爆釋放了相當于2.1萬噸TNT炸藥爆炸產生的能量。爆炸燒毀了30米高的銅制試驗塔和穿插其間的銅制電線，銅絲與地表的瀝青和沙子融合成三硝石。在這個過程中，核爆提供的極端沖擊、超高溫度和超強壓力使部分三硝石晶體變成了準晶體。于是，世界上最早的人造準晶體誕生了。

因為準晶體的獨特結構，它具有一些獨一無二的功能。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。此外，盡管其導熱性很差，但因為其能將熱轉化為電，因此，它們可以用作理想的熱電材料，將熱量回收利用，有些科學家正在嘗試用其捕捉汽車廢棄的熱量并轉換為電能。在日常生活中，準晶體最常見的應用則是作為不粘鍋的表面涂層。

而現在，準晶體有了新的用途。目前，沒有人知道核爆炸是如何塑造準晶體的，但總有一天，科學家會弄清楚這一點，然后就可以利用這些知識來全面地理解核爆炸的過程。另外，這個發現還可以用于遏制核軍備的擴散，如果我們在某地發現了與此相似的準晶體，就可以確定此處曾進行核爆炸，還可以推測當地核武器的當量和數量等信息。過去，人們通常采用分析放射性塵埃和氣體，以了解武器的構造、當量等信息，但是這些特征會因衰變而發生改變或消失。而準晶體卻不會消失，它能提供更加準確的核爆炸信息。

如果沒有善于發現問題且勇于堅持真理的謝赫特曼，也許人們至今還沒發現“準晶體”的秘密，因此，2011年，謝赫特曼獲得諾貝爾化學獎可謂實至名歸。這也啟示我們，無論何時都不要迷信權威，也許未來，改寫教科書的人就是你。