諾貝爾獎離我們有多遠?

　　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復”。
　　
　　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，德國科學家就總結并通過數學嚴格證明，為了滿足晶體的平移對稱性，晶體只能出現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面，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拼圖鋪滿平面的解決方案。而更令中國人引以自豪的是：“準晶”這個詞的提出并不是丹尼爾?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，我國電子顯微學泰斗郭可信院士。
　　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、浙江大學材料系教授）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于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，發現了許多新的四面體密堆合金相，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面體原子簇。隨后，張澤于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?舍特曼教授等已于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，他的學生還先后發現了二維八次對稱準晶和十二次對稱準晶，并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于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，并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后，在鈦-鎳-釩急冷合金中準晶與晶體取向、結構關系等方面進行了創新性研究。在準晶中的位錯、層錯等方面研究中有新的突破。他發現和確定了一維準晶體和介于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系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，并在國際上率先開展了系統的觀察和研究。
　　
　　飽受爭議的準晶學說
　　
　　由于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，并論證了五重、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。
　　準晶的發現引發了20世紀80年代全球性的準晶熱，中日美成為引領準晶研究的3駕馬車，各種準晶材料和結構被發現。當然，也有不少研究者“頓足捶胸”：這不是自己多少年前就發現但是卻放棄的東西嗎？正是因為丹尼爾?舍特曼教授和其他的準晶擁護者不迷信權威，憑借敢于創新的精神，開創了準晶的時代。創新需要勇氣，需要對權威的懷疑，需要通過實驗證明自己的正確，也許到那時就是你把權威拉下神壇的時候。
　　
　　準晶材料的應用前景
　　
　　準晶的發現至今已有20多年，準晶體這種介于晶體和非晶體之間的固體，具有完全有序的結構，然而又不具有晶體所應有的平移對稱性，因而具備了晶體所不允許的宏觀對稱性。準晶的奇特結構，完善了晶體學已建立的概念，也改變了人們對固體物質結構的原有認識，由此帶來的相關研究成果也廣泛應用于材料學、生物學等多種有助于人類生產、生活的領域。
　　目前，準晶材料的應用主要作為表面改性材料，以及作為增強相彌散分布于結構材料中。在實際生活中，準晶體早已被開發為有用的材料。也許很多人會覺得驚訝，我們周圍有準晶材料嗎？是的，看看你家的廚房吧，像我們最常見的不粘鍋炊具，因為準晶材料具有耐蝕耐磨等特點，用于不粘鍋表面更抗腐。
　　而在隔熱性能方面，相比泡沫、纖維、金、銀、鎳、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、超細玻璃棉、高硅氧棉等材料，而現在，科學家們正研究用準晶材料來替代這些傳統材料。
　　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（高的紅外傳導率）和足夠的熱穩定性（抗氧化及擴散穩定性），可應用于太陽熱能工業。此外，準晶體材料還可以作為結構材料增強相的應用、儲氫材料、半導體材料以及熱致發電材料等。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。我國在準晶的基礎研究方面，也走在世界前列，尤其是在準晶增強基復合材料的研究、準晶粉末的制備在全世界也具有優勢。
　　
　　諾貝爾獎離我們有多遠？
　　
　　如今，準晶在多個研究領域的重要性已被公認，隨著科學的發展，它的應用也越來越廣泛。今年的諾貝爾化學獎更是對丹尼爾?舍特曼教授當年面對學術界的一片質疑，依舊不放棄準晶研究的肯定，也是對像郭院士、張院士這樣對準晶的發展作出突出貢獻的研究者的肯定。雖然他們未被授予諾貝爾獎，但他們已將自己的名字、自己的成果刻在了人類科學發展的歷史上，他們的努力不會被磨滅。
　　遺憾的是，郭可信院士幾年前去世了，但是，他為科學界留下了豐厚的遺產。準晶的發現，創造了中國科學的一個奇跡，被認為是真正達到國際水平的一項研究，這個項目的研究不僅培養了一大批青年科學家，還“培養”了四位中國科學院院士：葉恒強、李方華、張殿林以及張澤。
　　每年的諾貝爾評獎，都成為中國人的一個期待。而今年，郭院士和他的學術團隊更讓我們看到了希望，諾獎離我們真的不遠！也許我們身邊還沒有諾貝爾獎得主，但是我們有這些“準諾貝爾獎”得主，他們正用自己嚴謹的科研態度，不放棄的科研信念，用他們的競爭意識、創造力、執著，以及自信、耐心和懷疑精神，帶領著我國的科技力量不斷發展，不斷進步。也許正如諾貝爾獎得主伊瓦爾?賈埃弗所說的，中國人缺的只是一點運氣，現在沒有諾獎沒什么，它遲早會來！如果以后還有人感嘆諾貝爾獎離中國有多遠，那么我們可以自豪的回答：不遠，也許就是明年！
　　【責任編輯】龐云