把“牛糞變成寶石”的科學家

　　“寶石”與“牛糞”，是兩種不可比的物質。說到寶石，人們常會用“價值連城”的字眼來形容它；而牛糞呢，一般只用來做肥料而已。可祖籍在浙江的美國國家科學院院士、中國科學院外籍院士毛河光，卻能用世界頂尖的高壓技術將“牛糞變成寶石”。
　　一個有點“奇怪”的學生
　　1941年，毛河光在上海市降生。當時正處在抗日戰(zhàn)爭時期，他的家曾搬過很多地方，從上小學開始他就因戰(zhàn)爭經(jīng)歷了一段顛沛流離的生活。由于經(jīng)常搬家，導致他經(jīng)常換學校、換老師、換同學，一切都變得混亂不堪，學習也就沒有了頭緒，也令他的個性發(fā)生了一定的變化，所以他非常痛恨戰(zhàn)爭。
　　在度過飄泊不定的小學階段后，毛河光考進了中學。平時他表現(xiàn)出來的一些“怪異”行為，被一些老師和同學視為怪學生。他愛好數(shù)理化，積極參加數(shù)理化興趣小組活動，還多次在競賽中獲獎。但他又不偏科，語文成績也不錯，寫的作文還被語文老師拿到班上當范文讀。他非常喜歡做物理、化學的實驗，但在做實驗時，他實驗的方法常常是不按書本上或老師教授的方法去做，而是自己另搞一套。他的實驗常常會做失敗，但有時又能搞出點小發(fā)明，弄出點小成果，使得老師批評不是、表揚也不是。他平時不太愛與同學說話，很喜歡獨立思考，上課回答問題時，他常能講出學習上的新話題來，有些術語和觀點讓老師也一時感到難辨真?zhèn)巍Ｋx書從不死記硬背，而是開動腦筋，尋找一種新方法。在解數(shù)學題時，他使用的方法不一定采用課本上的公式，而是自己想出一種新的解法。平時做作業(yè)，他都不用草稿紙，總喜歡在作業(yè)本上涂涂抹抹，連考試時也是如此。有很多次，老師改到他的作業(yè)和試卷時常常頭痛，有位數(shù)學老師曾無奈地對他說：“毛河光同學，我教書這么多年，教過學生無數(shù)，還沒教過你這樣‘奇怪’的學生。你有自己的想法，使用公式和計算過程跟書上和我教的方法完全不同，但演算的結果又是對的，你讓我怎么打分？”他字寫得實在潦草，老師在改試卷時，都會因他卷面字跡潦草要扣掉他一些分，但他的成績仍名列前茅。
　　毛河光雖然每次考試的分數(shù)都不是班上最高的，但這并不妨礙他考上名牌大學。1963年，他大學畢業(yè)后赴美國留學，又考進了美國名校羅澤斯特大學地球物理系學習。美國的教育是崇尚讓學生自我創(chuàng)造、自由發(fā)揮的。在留學期間，他的潛質較好地得到了發(fā)揮，一些論文正因為有自己的思想和方法，得到了導師的好評，并在美國一些著名刊物上發(fā)表。正因為毛河光的勤奮好學，1968年，他順利獲得了美國羅澤斯特大學地球物理系博士學位。
　　把牛糞變成寶石的“怪才研究員”
　　完成學業(yè)后，毛河光成為美國卡耐基研究院地球物理實驗室研究員，從事新興高壓技術研究。1976年，經(jīng)毛河光和另一位科研人員改進的金剛石壓腔（DAC）可達到100GPa（lMbar），兩年后又提高到173GPa，這已相當于地球外核的壓力。除了在高壓技術（包括最高壓力的獲得和各種測量技術）居世界領先地位外，他在超高壓研究方面也取得了領先的成就，即確定了氧化鎂—氧化鐵—二氧化硅系統(tǒng)在下地幔的溫度、壓力條件下的礦物的相關性；觀測到了二價鐵在高溫下的歧化反應，以及鐵、鎂的強烈分異現(xiàn)象等。這些發(fā)現(xiàn)對于了解地幔的性質、起源及演化過程都有十分重要的意義。尤其是1986年，他和徐濟安等同事共同創(chuàng)造了550 Gpa的世界最高靜壓力的新紀錄，這已經(jīng)超過了370 Gpa的地心壓力，相當于土星、木星等大行星內層的壓力。1988年，他們在250 Gpa以上超高壓下進行了氫的金屬化的研究，觀察到氫變成黑色后不透明，同時喇曼譜有增強現(xiàn)象，這可能是氫金屬化的象征，也可能是更重要的新的物理現(xiàn)象。這一重大發(fā)現(xiàn)引起了世界上著名物理學家和天體物理學家的高度重視。在1989年舉行的第十二屆國際高壓科學與技術學術會議上，毛河光榮獲國際高壓界的最高獎——布里季曼獎。1993年，毛河光當選美國科學院院士，還擔任了美國卡內基研究院地球物理實驗室高壓實驗室主任。幾十年來，毛河光曾在國際和美國權威的報刊上發(fā)表了數(shù)百篇學術論文，在高壓科研領域做出了杰出貢獻。
　　那么毛河光是如何將“牛糞變成寶石”的呢？原來在高壓的環(huán)境下，一些常態(tài)的東西性質會發(fā)生意想不到的變化。如高壓狀態(tài)下的石墨可以變成金剛石、金屬會變成玻璃、水會改變狀態(tài)……毛河光正是在研究物質在高壓狀態(tài)下的物理變化方面取得了一系列非常重要的成果。他研究物質在高壓下的晶體結構、晶格動力學和物理性質，從而進一步揭示了許多在常規(guī)條件下前所未有的新奇高壓結構、高壓現(xiàn)象和高壓效應。
　　在這一研究的理論基礎上，他把實驗的對象選擇為千萬年來人們一直視為頂尖寶貝的鉆石。天然的鉆石產(chǎn)自地表下120～200千米的地殼軟流圈內的角礫云母橄欖巖中，是一種超美鐵的火成巖，主要礦物是橄欖石和金云母，在高溫高壓的狀態(tài)下經(jīng)上千萬年甚至是數(shù)億年才能形成，最后隨著地殼變動特別是火山爆發(fā)被沖至地表。目前，全世界產(chǎn)鉆石的僅有印度、巴西、南非、中國、俄羅斯、澳大利亞等少數(shù)國家，所以鉆石的價格不菲。前幾年，毛河光和他的同事及學生耗費百萬美元，研究出一種用“化學氣相法”來“養(yǎng)”鉆石的秘方，能讓天然鉆石的表面不斷“生長”出新的鉆石來，一個小時內就能長出300微米，與有些人“養(yǎng)”鉆石3個月才能長1毫米，其速度已快多了。隨著這項技術的不斷成熟，毛河光實驗室現(xiàn)在已“養(yǎng)”出高品質的白色鉆石，與天然鉆石沒有多少差別。
　　2005年5月，毛河光與赫姆利博士利用高壓技術“讓鉆石快速長大”的專利方法制成一顆10克拉無色透明的CVD鉆石，在日本舉辦的第十屆國際新鉆石科技會議上公開展出，一下就轟動了國際學術界和珠寶界。隨后，他們又在美國舉行的實用鉆石會議上展出了那顆10克拉無色透明的CVD鉆石，并發(fā)表了題為《大鉆石生產(chǎn)快》的論文，一下震驚了世界。美國《世界日報》等許多媒體立即進行大幅報道，稱贊這是國際珠寶界一項劃時代的突破。全球知名的寶石分級、鑒定機構派出高級工程師與他聯(lián)系，希望能學習這種新鉆石的鑒定方法，連收藏最著名溫斯頓鉆“希望之鉆”的華盛頓斯密森協(xié)會礦物主管波斯特，也主動到毛河光的實驗室取經(jīng)。
　　對此，毛河光做出如下預言：“20世紀最重要的發(fā)明是計算機，21世紀最重要的發(fā)明是會長大的鉆石，所以21世紀是鉆石的年代！過去，天然的鉆石由于數(shù)量少而價格昂貴，隨著人工鉆石的大量生產(chǎn)，鉆石在珠寶中的‘帝位’將大大下降，今后價格便宜的人造鉆石將走進尋常百姓家。更重要的是鉆石不再僅僅用作裝飾品，它將取代硅在半導體中的作用，其效果比硅要好1000倍，‘硅谷’最終將變?yōu)椤@石谷’。如用鉆石取代半導體中的硅，電腦的效率還將成倍增長；鉆石的硬度最高，是很好的導熱及切削和研磨工具，未來可以在醫(yī)療及電子組件上發(fā)揮很大作用，這必將促使人類科技進入一個新的時代。”
　　摘取世界高壓領域諾貝爾獎的“高壓大師”
　　2005年6月8日是值得毛河光銘記的日子。這一天，瑞典皇家科學院隆重舉行頒獎大會。會上，瑞典皇家科學學會把以著名結晶學家葛里高日·阿米諾夫名字命名的“阿米諾夫結晶學大獎”，授予這位黃皮膚的美籍華人。這一大獎是瑞典皇家科學院為獎勵結晶學領域杰出科學家而設立的，因而被稱為“世界高壓領域的諾貝爾獎”，有些科學家獲此獎后不久，便榮獲真正的“諾貝爾獎”。
　　瑞典皇家科學院在介紹獲獎者的公告中高度評價毛河光：“毛河光是全世界處于領導地位的高壓科學家。他利用Mao-Bell金剛石對頂壓鉆產(chǎn)生的靜態(tài)高壓，利用同步輻射X光和中子源等等高壓微區(qū)測量方法，研究物質在高壓下的晶體結構、晶格動力學和物理性質。晶體的離子半徑強烈依賴于壓力，這將導致所有化合物的原子配位和晶體結構，在高壓下發(fā)生激烈的變化。他揭示出許多常規(guī)條件下前所未聞的新奇高壓結構、高壓現(xiàn)象和高壓效應，一個高壓結晶學周期表正在形成之中。他說，高壓對物質科學的作用絕不亞于溫度和化學組分的作用，高壓研究正處在令人激動和富有成果的新的機遇期，它是科技創(chuàng)新的一個新的源泉。”
　　毛河光獲獎后，瑞典皇家科學院為祝賀他獲得這項殊榮，專門舉辦了為時兩天的“固體材料的超高壓高溫研究學術會議”，請他作了題為《“高壓——物質科學中的一個新維度》的演講，受到了與會世界著名專家學者的一致好評。
　　2005年10月，毛河光又獲得美國物理學會、礦物學會和地球物理學會的最高榮譽獎，還先后榮獲國際高壓與科學與技術學會的Bridgman金獎和美國科學院Arthur L. Day獎。
　　作為一個美籍華人，毛河光也非常關心祖國和故鄉(xiāng)的科技教育事業(yè)的發(fā)展，在20多年間，他先后7次回到祖國，在中科院物理所、地化所等有關科研院所和故鄉(xiāng)的浙江大學等高等院校講學，講授他在高壓領域的新發(fā)現(xiàn)、新技術、新成果，并設立獎學金資助家鄉(xiāng)的教育事業(yè)。其中，我國金剛石壓腔（DAC）超高壓的研究工作，就是在毛河光的指導下從無到有、從小到大發(fā)展起來的。他通過講學和演示，向國內有關科研單位和人員傳授了（DAC）技術的理論、實驗和研究方法，并贈送了當時國內還沒有的各種實驗用品。在他的推動和幫助下，我國得以在地幔礦物學、高壓物理、高壓相變、高壓X衍射（包括高壓同步輻射）、高壓喇曼光譜、高壓紅外光譜和超硬材料等方面在國際上占有了一席之地。鑒于毛河光的杰出科研成就和對祖國科技事業(yè)的貢獻，1996年6月7日，中國科學院聘請他為外籍院士。2002年，中國政府授予他國家“友誼獎”，多家媒體稱他為“可敬的海外赤子