谢赫特曼 开辟了固体物质的第三种可能

《谢赫特曼 开辟了固体物质的第三种可能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《谢赫特曼 开辟了固体物质的第三种可能（2页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、文 李若夕 瑞典皇家科学院 1 0 月5日宣布， 现年 7 0 岁的以色列科学家达尼埃尔 谢赫特曼 因发 现准晶体独享 2 0 1 1 年诺贝尔化学 奖。经历过被否定 、 嘲笑和驱逐， 谢赫特曼 终于等来了被承认的一天 ， 他的发现， 促使 科学家们开始重新思考对物质结构的认知。 尘埃落定 ， 准晶的形态也牢牢的镌刻 在了众多科学家的心里。正如诺贝尔化学 奖评审委员会的解释： “ 在准晶体内， 我们 发现， 阿拉伯世界令人着迷的马赛克装饰 得 以在原子层面复制， 即常规图案永远不 会重复。 ” 因为坚持所发现的物质 ， 即使顶撞 了 权威， 也从未放弃过研究， 这样的事， 哥白 尼经历过， 爱

2、因斯坦也经历过 ， 所以在发布 会现场的时候， 谢赫特曼才会感到“ 天崩地 裂” ， 他努力控制自己的情绪， 但激动溢于 言表。 “ 对我个人而言 ， 这真是一个伟大的 日子对科学而言 ， 是伟大的一天。 ” 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。 ” 关于那些不被接受的争议 谢赫特曼在以色列出生和接受教育 ， 以色列工学院是他研究事业起步的地方。 在以色列工学院举行的新闻发布会上 ， 谢 4 0 C H U A N G

3、X I N K E J I 2 0 1 1 1 0 赫特曼说 ： “ 往事给我的教训是 ， 好科学家 是一位谦卑 、 聆听的科学家， 而不是 1 0 0 地捍卫他在教科书上读到的知识。 ” 他回忆起过去的那些坎坷经历依然记 忆犹新。 1 9 8 1 1 9 8 3 年 ， 谢 赫特 曼 利用学术休假年来到美国约 翰 霍普金斯大学。1 9 8 2 年4 月8日， 他将铝锰合金熔化后 快速冷却以防止其结晶， 并在 电子显微镜下观察样品中的 原子结构。显微镜里， 他看到 记了3 个问号。谢赫特曼不能解释自己所 见。准晶体是 自然界 固体物质中的“ 另 类” ， 它不具备品格周期性 ， 却显现长程有

4、序性。他告诉同事发现了一种新的材料结 构， 同事不相信他 ， 他捍卫自己的观点， 却 研究晶体领域的 专家 不接受我 的发 现 成果 。 国际晶体界也不 接受。关于我的发现 。 起初有很大的争议。 了一张从未见过的电子衍射图模式 ： 这个 合金有非同寻常的旋转对称五边形对 称， 原子排列有序但结构模式不重复。 在晶体结构中， 原子排列模式应该有 序且重复， 因此这不是标准的晶体结构， 与 传统观点相违背的准晶体排列规则。在晶 体结构中不允许出现5 次和6 次以上的旋 转对称性， 这是被写进教科书的国际学术 界主流观点， 一百多年来没有人去怀疑它 的正确性。早在十九世纪， 德国科学家就 总结并通

5、过数学严格证明， 为了满足晶体 的平移对称性， 晶体只能出现n = l 、 2 、 3 、 4 、 6 等五种旋转对称轴 ， 不可能出现n = 5 和la 6 次的对称轴。传统的晶体学理论断言， 由 于受到晶体平移周期性的限制 ， 五次旋转 对称是不存在的。 谢赫特曼说 ， 其实 ， 在发现的最初阶 段， 他自己也觉得难以置信。 “ 不可能有这 样的物质存在， ” 谢赫特曼对 自己说。在记 录这一发现的笔记本上， 谢赫特曼一连标 引来 了麻烦 ： 研究 组组 长要求 他离开。实验室主管把 一本 书放在桌上说 ， “ 你为什么不 读读这个?你所说的是不可 能 的。 ” 谢赫特曼说 ： “ 研究品

6、体 领域的专家不接受我的发现 成果， 国际晶体界也不接受。关于我的发 现 ， 起初有很大的争议 。 ” 直到 2 0 0 3 年 ， 谢 赫特曼还无法释怀 ， 他说 ： “ 两年多时间里 ， 没有人相信我的结果， 我被嘲笑我担 心 自己的科学 ， 我担心 自己的职业生涯。 ” 从未放弃与权威抗争的 日子 幸运的是， 谢赫特曼在以色列I | 学院 的同事伊兰 布雷希愿意帮助他发表成果。 1 9 8 4 年， 布雷希建议制作一个2 0 面体 的玻璃模型。两人写了一篇包含这个模型 和实验结果的论文， 当年夏天投给美国 应 用物理学期刊 。编辑给他发来 _lr 退稿信 ， 理由是文章不适合期刊的读者。

7、成名后的 谢赫特曼对此事仍耿耿于怀 ， 他作学术报 告时总喜欢把那封退稿信作为第一张透明 片， 来讽刺那位编辑。 随后 ， 他们将论文转投 冶金学学报 ， 学报接收了论文却在近一年的时间里都? 曼 有发表。后来 ， 谢赫特曼又将论文送给美 国标准局著名材料学家约翰 卡恩。卡恩 建议精简文章内容 、 去除模型和实验细节， 只包含实验发现。最终 ， 题为 一种长程有 序但不具备平移对称性的金属相 论文发 表在 1 9 8 4 年 1 1 月的 物理学评论快报 。 不过 ， 这篇论文仍旧没有打消一些知 名科学家对准晶体理论的疑问。当时 ， 颇 有名望的美国化学家、 晶体学权威 、 两届诺 贝尔奖得主

8、鲍林( P a u l i n g ) 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。 ” “ 不过 ， 他锲而不舍 的 努力最终迫使科学家们开 始重新考虑他们对于物质 本质的认识 。 ” 诺贝尔化学 奖评审委员会说。 2 0年里 ， 曾有7 名以色列人摘得诺贝尔奖 桂冠 ； 而在过去 1 0 年里 ， 以色列科学家则5 次获得诺贝尔奖。 谢赫特曼认为 ， 以色列的教育体系成 就了这些科学家。谢赫特曼说 ： “ 我认为， 以色列的大学都是很好的大学。工学院的 工程学和科学都很好 。其他 的大学也不 错。我们不但有很好的教育， 而且我们的 教育体系鼓励

9、人们的独创性。 ” 如果 要引导 一个 人研 究科 学 ， 或 者 其 他领 域 ， 需 要从 幼 儿 园开始 ( 培 养 ) 。这 是 一 个挑战。 成果发表后 ， 世界各地的科学家给他 打电话 ： “ 我们做出了你做的东西 ， 我们看 到了你看到的东西。 ” 康奈尔大学的物理学家维伊特 埃尔 塞说 ： “ 考虑到制作这些材料的简单性， 在 谢赫特曼之前 ， 应该有许多科学家已经见 过这种五次对称图形 ， 但是因为这不符合 晶体学的严格规定 ， 他们都放弃了所见。 ” 关于教育不得不说的事 谢赫特曼一直坚持他的观点， 直到 3 0 年后的诺贝尔化学奖 ， 彻底为他“ 正名” 。 谈到他的坚持

10、动力， 谢赫特曼说 ， 坚持正确 的方向不放弃， 就会成功。他认为： “ 必须 要成为某个领域的专家 ， 这是第一位的。 当发现某个新事物的时候 ， 首先要确定它 确实是新事物 ， 然后再试着解释所看到 的。如果相信 自己的话 ， 就可以听取他人 的意见 ， 但不要被他们误导， 不要放弃。对 我来说， 我知道我是对的。 ” 谢赫特曼于 1 9 4 1 年 出生在以色列港 口城市特拉维夫 ， 现在是以色列理工学院 的教授 ， 同 时还在美 国能 源部埃姆 斯实验 室从事研究工作 ， 另外还是美国艾奥瓦州 立大学的教授。谢赫特曼 曾于 1 9 9 8 年获 得以色列物理学奖 ， 并于第二年获得沃尔

11、 夫物理学奖。有媒体报道称， 谢赫特曼先 后获得几乎所有科学奖项 ， 似乎“ 独缺” 诺 贝尔奖。 在以色列， 已经有不少科学家获得过 诺贝尔奖 ， 这个仅 占世界人 口0 2 的国 家 ， 它的诺贝尔奖获奖者人数已经占了所 有诺贝尔奖获奖者的2 0 以上。在过去的 谢赫特曼教授同时指出， 教 育应当注重培养学生的能力， 让 他们能够具备各种技能， 而不仅 仅是局限于书本。学生除了学 习数理之外 ， 还应当在文学 、 艺 术 、 音乐等领域有 自己的兴趣和 爱好。这些培养要从小做起， 也 需要优秀的教师。谢赫特曼说： “ 如果要引 导一个人研究科学 ， 或者其他领域 ， 需要从 幼儿园开始 (

12、 培养 ) 。为了实现 ( 这种引 导) ， 我们需要优秀的教师， 不仅会教学 ， 还 会教育。这是一个挑 战。 ” 谢赫特曼教授说 ， 教育的范畴远大于 教学， 教育还包括价值观的引导 ， 对青少年 的鼓励等等。他认为， 社会应当投入更多 的资金和精力在优秀教师身上， 以避免人 才流失。谢赫特曼教授用 自己的例子来说 明优秀教师的重要性。他说 ， 他高中时期 的物理老师对他影响甚深。谢赫特曼说 ： “ 那是个非常完美的老师。他从伊拉克来 到以色列， 很有活力， 也很严谨。他的黑板 上画线的时候 ， 一定是直线。他的希伯来 语 ( 发音) 很蹩脚 ， ( 因为) 他是跟着字典读 的。有一天，

13、他把我叫到黑板前， 他在黑板 上 画了一个带 电阻的电路 图， 让我解答 。 我解决了这个问题。他对我说， 丹懂物理 。 1 7 岁的我， 记住了这句话。 ” 另类的“ 准晶体” 用途广泛 美国 纽约时报 网站 1 O 月5日的报道 称 ， 1 9 8 2 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 1 O 个光点包围， 恰 恰就是一个 1 O 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 ： “ 1 0 次? ” 然而， 1 9 8 7 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。至

14、此， 谢赫特曼的理论终于得到科学界的认 可。现在他的发现已经使得准晶体成为物 理学家、 材料学家、 数学家以及晶体学家的 f人物 精英特写 重要研究领域。 1 9 9 2 年， 国际结晶学联盟改写了结晶 的定义 ， 从“ 有序 、 重复的原子阵列” 改为 “ 任何有离散衍射模型的固体” 。2 0 0 9 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” ， 这块合金采 自俄罗斯科里亚克山上2 亿年 历史的岩石中。这种名为i c o s a h e d r i t e ( 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

15、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 1 4 世纪摩尔人于西班牙建立的阿尔汉 布 拉 宫 和 1 5世 纪 修 建 的伊 朗 D a r b i I ma m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。1 7 5 3 年， 格拉斯哥大学的数学 家罗伯特 辛姆森发现 ，

16、 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 6 2 ) 。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 l 0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