科學界的“竇娥”與準晶體

阿碧

在2011年的諾貝爾化學獎揭曉之前，很少有人能猜得到獲獎者是科學界的“竇娥”。他就是以色列材料學家達尼埃爾·謝赫特曼。1982年，謝赫特曼發現了打破晶體學常識的準晶體，當時幾乎沒有人相信他的這一發現，他也因此受到科學界的排擠，著名的化學家鮑林甚至稱他為“準科學家”。將近30年后，這位“準科學家”卻站到科學界最高的領獎臺上。

打破常識的發現

有關材料學的教科書中都寫到，固體材料分為晶體和非晶體兩種。就拿我們常用的手機來說，手機內的金屬器件是晶體，晶體中的原子按照一定的規律進行重復排列；而手機的塑料外殼是非晶體，其中的分子或原子排列雜亂無章，沒有特別的規律。那么，有沒有一種固體材料既不是晶體又不是非晶體呢?謝赫特曼就發現了這樣一種介于晶體和非晶體之間的準晶體。準晶體中原子的排列很有規律，但是不會重復排列。

那么，謝赫特曼是如何找到準晶體這種特殊材料的呢?那得從多年前的那個春天說起。1982年4月，謝赫特曼在美國約翰·霍普金斯大學擔任助理教授，他從事的是航空用高強度合金的研究。他在研究一種鋁錳合金時，發現其中的“晶體”有些不守規矩。謝赫特曼拍攝的有關這種材料的電子衍射照片顯示，這種物質存在10次對稱軸。也就是說，電子衍射照片在旋轉36°后，才能使旋轉前后的照片上的衍射斑點完全重合在一起。

100多年來，在涉及晶體結構的相關教科書里明確寫著：“晶體里不存在5次或10次對稱軸。”然而，似乎不可能出現的現象實實在在地出現了。因此，謝赫特曼對自己拍攝到的照片十分疑惑，還在實驗記錄的“10次”后面打了個問號。一般來說，科學家有了新的發現會十分興奮，甚至會像阿基米德那樣從浴盆里跳出來歡呼。然而，謝赫特曼一點也不興奮，因為他的新發現違背了“金科玉律”。難道是自己的實驗出現了偏差?謝赫特曼開始重復自己的實驗，多次重復之后，結論還是一樣。他不但發現了一些固體物質中的10次對稱軸，還發現了5次對稱軸。

在他人嘲笑中堅持

惶恐不安中，謝赫特曼就像祥林嫂那樣見人就描述他的新發現，希望能夠得到他人的支持。然而，沒有人支持他。這事傳到了實驗室主管的耳朵里，他大發雷霆，把謝赫特曼叫到辦公室，扔給了謝赫特曼一本晶體學教材說：“你為什么不重新復習一下這些教材?你說的那些是不可能發生的。”盡管沒有人支持，謝赫特曼還是認為自己發現了固體物質的第三種形式，那就是除晶體、非晶體之外的準晶體。

為什么人們不肯相信有準晶體這種材料存在呢?一方面是因為準晶體內的對稱軸打破了常規。更為重要的是，晶體和非晶體在自然界中隨處可見，而準晶體在自然界中難以尋覓它的蹤影。人們總是有“眼見為實”的觀念。直到2009年，俄羅斯研究人員才在一條河流的礦物樣本中首次發現了天然準晶體。

由于不放棄對準晶體的研究，謝赫特曼被約翰·霍普金斯大學解雇了。如今校方或許會后悔，因為他們不知道當時解雇的是未來的諾貝爾獎得主。謝赫特曼懷著灰暗的心情離開了美國，回到自己攻讀學士、碩士和博士學位的母校以色列理工學院。母校以博大的胸懷接納了這位海外游子，并聘請他做教授。謝赫特曼還在母校找到了一個得力的助手伊蘭·布勒希。他們經過1年多的研究，于1984年發表了一篇描述制作準晶體具體方法的論文。這篇論文的發表是十分艱難的，因為當時學術界并不接納準晶體這個概念，他們最終只能把論文發表在一本二流學術期刊上。

盡管母校支持他的研究，但是當時謝赫特曼在學術界是十分孤立的，國際上大多數科學家都反對準晶體理論。在所有反對者中，反對最激烈、聲望最高的居然是一位兩度獲得諾貝爾獎的科學家。他就是美國著名的化學家萊納斯·鮑林，1954年諾貝爾化學獎和1962年諾貝爾和平獎得主。有趣的是，鮑林的獲獎成果之一的“共振論”也是打破了物質結構研究領域的常規，也曾經遭受非議。

鮑林曾經在一場新聞發布會上說：“謝赫特曼在胡說。沒有準晶體這種東西，只有準科學家才這樣認為。”鮑林還發表了不少晶體結構方面的文章，想方設法要把謝赫特曼的準晶體歸納到傳統的晶體學教科書外。由于鮑林在國際化學界影響很大，他給謝赫特曼“準科學家”的稱謂不脛而走。多年以后，謝赫特曼的一些朋友還拿這個稱號來打趣他。

要成就一項新的科學發現，需要能夠重復相關的實驗，否則就是無稽之談。好在謝赫特曼向科學界描述了如何制造準晶體的方法，一些國家的研究人員陸續在實驗室中按他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，法國和日本科學家制出足夠大的準晶體，經由x射線和電子顯微鏡可以直接觀察到這種準晶體。至此，謝赫特曼的理論才得到科學界的認可。

準晶體是特種材料

我們都知道晶體材料和非晶體材料在實際生活和工業生產中應用十分廣泛，那么準晶體材料有實際用途嗎?當然有，這種材料本來就是謝赫特曼研究高強度航空合金材料時發現的。事實證明，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，用于制造堅固的儀器和武器的部件。作為熱和電的不良導體，準晶體還可用于制作溫差電材料，可把熱能轉換為電能。利用其表面不粘的特性，它可以用于制作煎鍋表面涂層。

謝赫特曼在得知自己獲得了諾貝爾獎時，用“天崩地裂”來形容自己的欣喜和意外之情，因為他已經習慣了他人多年的嘲笑和排擠。諾貝爾獎評選委員會在高度評價了謝赫特曼研究的同時，也對全世界科學家們發出了警告：“即使最偉大的科學家也會陷于傳統藩籬的桎梏中，保持開放的頭腦、敢于質疑現有認知是科學家最重要的品質。”此時，曾經嚴重傷害過謝赫特曼的鮑林已經謝世17年了，他在去世之前一直沒有接受謝赫特曼的準晶體理論。假如他能活到今天，不知道他對諾貝爾獎評選委員會的警告作何感想。