走近诺贝尔奖 （十一）“准科学家”与他的准晶体

杨先碧

1982年，以色列材料学家谢赫特曼发现了一种不合常理的另类固态物质，那就是介于晶体和非晶体之间的准晶体。因为挑战了当时的科学“常识”，谢赫特曼被斥为“胡言乱语”的“准科学家”。

当我告诉人们，我发现了准晶体的时候，所有人都取笑我。”以色列材料学家达尼埃尔·谢赫特曼说。在2011年诺贝尔化学奖揭晓之前，很少有人能猜得出获奖者是科学界鼎鼎有名的“窦娥”。他曾经发现了连科学家也难以理解的准晶体，并且“顽固”地坚持自己的发现是正确的。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着：固体材料分为晶体和非晶体两种。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材料——“准晶体”。准晶体中内部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30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合金材料的研究。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°（十分之一圈）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却实实在在地出现了。因此，谢赫特曼对自己拍摄到的照片感到十分疑惑，还在实验记录的“10次”后面打了个大大的 “？”。

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。但是，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，甚至还发现了5次对称轴。

在他人嘲笑中坚持

怀着惶恐和不安，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，实验室主管甚至大发雷霆，把谢赫特曼叫到他的办公室，扔给了他一本晶体学教材，并对他说：“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。”尽管没有得到支持，但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。

由于谢赫特曼执着于对准晶体的研究，谢赫特曼被约翰·霍普金斯大学解雇了（如今校方或许会有些后悔，因为他们不知道当时解雇的是未来的诺贝尔奖得主）。谢赫特曼心情沮丧地离开了美国，回到自己攻读学士、硕士和博士的母校——以色列理工学院。母校以博大的胸怀接纳了这位海外游子，并聘请他为教授。

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的具体方法的论文。在当时，发表这篇论文是十分艰难的，因为当时学术界并不接纳准晶体这个概念。他们最终只好把论文发表在一本二流学术期刊上。然而，这篇论文仍旧没有打消一些知名科学家对准晶体理论的质疑。

尽管谢赫特曼的母校支持他的研究，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。虽然反对者众多，但谢赫特曼仍然没有放弃自己的研究发现。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——美国著名化学家莱纳斯·鲍林，他曾经获得1954年诺贝尔化学奖和1962年诺贝尔和平奖。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，这项理论也曾经遭受非议。

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。”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里。由于鲍林在国际化学界影响很大，因此，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。

终于获得科学界的认可

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以谢赫特曼描述的方法制造出了不同物质的准晶体，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，可以经由X射线和电子显微镜直接观察到这准种晶体。至此，谢赫特曼的理论终于得到科学界的认可。

为什么其他研究人员不相信有准晶体这种材料存在呢？一方面，因为准晶体内的对称轴打破了常识；另一方面，更为重要的是，晶体和非晶体在自然界中随处可见，而准晶体却难寻踪迹。人们总是有“眼见为实”的观念。

2009年，事情终于出现了转机。美国普林斯顿大学的物理学教授保罗·斯坦哈特在俄罗斯东部的哈泰尔卡湖中，首次发现了具有准晶体结构的天然物质。这是一块来自太空的陨石，是由铝、铜、铁三种金属组成的合金，和实验室中合成的准晶体组成一样，而且这些合金颗粒的结晶程度都非常好。

之后，科学家在工业生产中也发现了准晶体。2010年，瑞典一家企业在一种特种钢中发现了准晶体，目前这种钢主要用于生产剃须刀片和眼科手术用的手术针。天然准晶体和工业材料准晶体的发现，终于打消了人们对准晶体的疑虑。

保罗·斯坦哈特教授表示：“谢赫特曼的发现彻底颠覆了过去200多年科学界对固体分类的认知，这是一个引人注目的重大发现。”“准晶体”这一术语也是由斯坦哈特提出的，在谢赫特曼发表其发现后，斯坦哈特一直在进行准晶体领域的理论研究工作。

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成果的同时，也对全世界科学家发出了警告：“即使是最伟大的科学家也会陷于传统藩篱的桎梏中。因此，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。鲍林在1994年去世，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。

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？这种材料本来就是谢赫特曼在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，用于制造牢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。一些研究人员正在尝试利用准晶体捕捉汽车废弃的热量，将其转化为汽车电池的电能。利用其表面不粘的特性，它可以用于制作煎锅表面涂层。

在隔热性能方面，相比泡沫、纤维、金、银、镍和铝箔等传统隔热材料，准晶体具有密度小、耐蚀和耐氧化的优点，在航空和汽车工业的发动机等部件中，有非常大的应用价值。以前，航空航天工业中，飞机座舱和驾驶舱内常用泡沫塑料、超细玻璃纤维、高硅氧棉等材料，而现在，科学家们正研究用准晶体材料来替代这些传统材料。

此外，准晶体还被用作太阳能工业薄膜材料。因为准晶体具有特殊的光学性能和足够的热稳定性，可应用于太阳热能工业。目前，各国化学家也正在研究准晶体材料在真空镀膜、离子注入、激光处理、电子轰击、电镀等方法制备准晶膜的应用。

有趣的是，把光的丰富的色彩与准晶体独特的几何结构相结合，将表现出非凡的艺术性。在许多领域的研究中所呈现的准晶图样，如准晶聚合物结构、准晶的衍射图样和光子准晶中谐振状态的分布强度等，都有很高的艺术欣赏价值。一些艺术家还从准晶中获取灵感，把准晶体的结构图样用于建筑、绘画和雕塑等艺术创作中。

达尼埃尔·谢赫特曼，以色列材料学家，1941年出生于以色列的特拉维夫。在以色列理工学院取得机械工程学士后，又接连取得材料科学硕士与博士学位。现任以色列理工学院菲利普托比亚斯材料科学教授、美国能源部埃姆斯实验室助理、艾奥瓦州立大学材料科学教授。1996年当选以色列科学院院士，2000年当选美国国家工程院院士，2004年当选欧洲科学院院士。