——從2011年諾貝爾化學獎談起
百科聚焦
作者：高倩
2011年諾貝爾化學獎10月5日在瑞典首都斯德哥爾摩揭曉，以色列科學家丹尼爾 舍特曼因發現了準晶而獨獲此殊榮。諾貝爾獎評委會稱，“與此前人們認為的原子在晶體內呈對稱模式分布的理論不同，舍特曼揭示出原子在晶體內的堆積形態可以不重複”。
準晶的發現與中國學者的貢獻
人們早就發現，在自然界中，很多固體物質都是以晶體的方式存在，它們在宏觀上表現出特定的對稱性。早在19世紀，德國科學家就總結並通過數學嚴格證明，為了滿足晶體的平移對稱性，晶體隻能出現n=1、2、3、4、6等五種旋轉對稱軸（相應的轉角為2π/n），不可能出現n=5和n>6次的對稱軸，因為其中原子間的距離長短不一，這個樣式無法實現旋轉對稱。所以，早期晶體學家們都根深蒂固地認為，五重或七重以上的對稱不符合自然規律。
然而，重大的科學發現往往是偶然的，有時候還需要運氣，原始創新思想，不是靠智者們指南規劃出來，更不是靠金錢燒出來，它或許僅僅是平凡者的神來之筆。1982年，以色列理工學院的丹尼爾 舍特曼發現在他的電子顯微鏡下麵，一個衍射圖案可以安然轉過圓周的1/10（也就是36度）依舊得到原來樣式，也就是說，發現了十重對稱！
無獨有偶，同一時期的數學家們已為此做好了理論鋪墊。英國人彭羅斯差不多同一時期便在前人工作基礎上提出了一種以兩種形狀的拚圖鋪滿平麵的解決方案。而更令中國人引以自豪的是：“準晶”這個詞的提出並不是丹尼爾 舍特曼，也不是數學家們，而是我國著名物理冶金學家、晶體學家，我國電子顯微學泰鬥郭可信院士。
丹尼爾 舍特曼等人的文章是1984年11月12日刊登出來，幾乎是同時，郭可信院士和他的學生張澤（現為中科院院士、浙江大學材料係教授）在過渡族金屬合金中也獨立地發現了五次對稱電子衍射圖，不過遺憾地與“第一名”擦肩而過。
早在20世紀80年代，郭可信與張澤就在用於噴氣發動機葉片的鎳基和鐵基高溫合金中加入強化元素所生成的合金相的研究中，發現了許多新的四麵體密堆合金相，他們從中受到啟發，想到把合金相加熱到熔融再急冷可能會得到更小的二十麵體原子簇。隨後，張澤於1984年11月首次在鈦-鎳-釩合金中發現五次對稱準晶，開國內準晶研究之端。雖然遺憾的是他們發現丹尼爾 舍特曼教授等已於1984年11月12日發表了有關鋁-錳準晶的文章，但是，在郭可信院士的領導下，他的學生還先後發現了二維八次對稱準晶和十二次對稱準晶，並在國際上首次生長出毫米級的十次穩定準晶單晶。郭院士與張院士等對於準晶的研究和丹尼爾 舍特曼教授是同步進行的，他們的發現是獨立的，並且是首次在過渡族金屬合金中合成的，雖然晚了一步，但法國人仍稱它為中國相（China Phase）。
張澤在鈦-鎳-釩合金中發現五次對稱準晶後，在鈦-鎳-釩急冷合金中準晶與晶體取向、結構關係等方麵進行了創新性研究。在準晶中的位錯、層錯等方麵研究中有新的突破。他發現和確定了一維準晶體和介於準晶和晶體之間的一些過渡狀態。特別是，他在世界上首次發現了鋁銅鈷十次對稱準晶中的位錯及層錯；首次用常規衍射襯度方法係統地研究了五次對稱準晶的位錯；在世界上首次發現十次對稱準晶中的“位錯”等缺陷，並在國際上率先開展了係統的觀察和研究。
飽受爭議的準晶學說
由於五次對稱在傳統晶體學中是不允許的，因此準晶的發現立即在與晶體學有關的各個學科如固體物理、固體化學、材料科學、礦物學界產生了很大的震動，同時圍繞著準晶晶體學產生了一場持續不斷的爭論。首先，對準晶是否存在持強烈否定觀點者是諾貝爾化學獎得主鮑林。他在1985年和1988年接連發表文章認為準晶學說是荒謬的，並論證了五重、十重、二十重孿晶的衍射也能產生出類似“準晶”的衍射現象。對此，準晶的擁護者1986年在《自然》周刊上寫了一組題為《鮑林的模型不被廣泛接受》的論文。在這場爭論中，郭可信的依據是：他們在鋯鎳合金中觀察到的五重孿晶的高分辨電子顯微結構像存在著二維周期性特征，但在鈦鎳合金中觀察到的準晶的結構像卻是非周期性的。以此為依據，他應邀在1986年舉行的第11屆國際電子顯微學會議上作了題為“準晶還是五重孿晶”的報告，有力地支持了準晶學說。