準(zhǔn)晶體“改寫”了教科書

蘇云

1945年7月16日，人類歷史翻開了令人不安的新篇章——這一天，美國在新墨西哥州的一個(gè)沙漠試驗(yàn)場引爆了第一顆原子彈，這意味著人類掌握了迄今為止威力最大的武器，具有了快速摧毀一個(gè)城市乃至一個(gè)國家的能力。不過，在這場大型爆炸背后，還誕生了一種不起眼的新材料，那時(shí)人們還不知道，這種新材料會(huì)給我們的生活帶來巨大的改變。

“準(zhǔn)科學(xué)家”發(fā)現(xiàn)“準(zhǔn)晶體”

出生于以色列的達(dá)尼埃爾·謝赫特曼從小就很喜歡科學(xué)。7歲時(shí)，謝赫特曼收到了祖父送的生日禮物——放大鏡，從此，他熱衷于拿著放大鏡觀察一切細(xì)小的事物，并開始了探索微觀世界的一生。長大后，謝赫特曼在以色列理工學(xué)院一直從本科讀到博士，博士畢業(yè)后，他在美國約翰·霍普金斯大學(xué)做研究。1982年，年僅41歲的謝赫特曼已經(jīng)成為美國科學(xué)界矚目的年輕有為的材料學(xué)家。可是，謝赫特曼沒想到，一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)讓他退步成了“準(zhǔn)科學(xué)家”。

1982年4月的一天，謝赫特曼在實(shí)驗(yàn)室用電子顯微鏡觀察一種鋁錳合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種具備“五重旋轉(zhuǎn)對稱”屬性的晶體。在這之前，學(xué)界普遍認(rèn)為，所有晶體都是以“規(guī)律重復(fù)的周期性”結(jié)構(gòu)存在的，而根據(jù)晶體學(xué)原理，周期結(jié)構(gòu)只有一、二、三、四、六重對稱性，因此五重旋轉(zhuǎn)對稱的晶體不應(yīng)該也不可能存在。

達(dá)尼埃爾·謝赫特曼與他的準(zhǔn)晶體模型

謝赫特曼對自己的發(fā)現(xiàn)大感驚異，并將這種物質(zhì)取名為“準(zhǔn)晶體”。可是，當(dāng)他將自己的發(fā)現(xiàn)告知其他同事時(shí)，他們并不相信他，實(shí)驗(yàn)室主管甚至扔給他一本晶體學(xué)教材，要求他再重新學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程。兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的美國化學(xué)家萊納斯·鮑林不相信準(zhǔn)晶體的存在，并嘲諷謝赫特曼為準(zhǔn)科學(xué)家：“世界上沒有準(zhǔn)晶體，只有準(zhǔn)科學(xué)家。”更糟糕的是，由于謝赫特曼不放棄對準(zhǔn)晶體的研究，他最終被約翰·霍普金斯大學(xué)解雇了。

傳統(tǒng)晶體學(xué)理論中，正五邊形原子無法形成晶體。

鋁錳合金原子排列圖

即便如此，謝赫特曼仍然堅(jiān)持自己的發(fā)現(xiàn)，他將自己的研究成果發(fā)表在一些期刊上，向科學(xué)界描述了制造準(zhǔn)晶體的方法，一些國家的研究人員陸續(xù)在實(shí)驗(yàn)室中以謝赫特曼描述的方法制造出不同物質(zhì)的準(zhǔn)晶體，有些研究人員還開發(fā)出了新的制造方法。1987年，法國和日本的科學(xué)家制出足夠大的準(zhǔn)晶體，可以經(jīng)由X射線和電子顯微鏡直接觀察到這種晶體。2009年，科學(xué)家們在俄羅斯東部的河流中發(fā)現(xiàn)了天然準(zhǔn)晶體礦物。至此，謝赫特曼的理論才得到科學(xué)界的認(rèn)可。

準(zhǔn)晶體的特性

準(zhǔn)晶體，顧名思義是一種介于晶體和非晶體之間的固體結(jié)構(gòu)。它之所以如此奇特，是因?yàn)樗哂信c晶體不同的原子排列方式。

普通晶體具有的是二次、三次、四次或六次旋轉(zhuǎn)對稱性，也就是說，在原子或電子旋轉(zhuǎn)180°、120°、90°或60°后，能與旋轉(zhuǎn)前的狀態(tài)完全重合在一起。但是準(zhǔn)晶體具有其他的對稱性，例如五次對稱性或者十次對稱性。比如，謝赫特曼發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)晶體，就具有十次對稱性，電子衍射照片在旋轉(zhuǎn)36°（十分之一周）后，才能使旋轉(zhuǎn)前后的照片上的衍射斑點(diǎn)完全重合在一起。

科學(xué)家過去認(rèn)為，晶體不可能具有五次對稱性或者十次對稱性，因?yàn)檫@是一種能量不穩(wěn)定的狀態(tài)。就像鋪瓷磚，瓷磚的中心點(diǎn)的角度之和等于360°，人們有許多種鋪陳的方式，比如六個(gè)等邊三角形、四個(gè)正方形，甚至可能是三個(gè)正六邊形。然而，用正五邊形瓷磚平鋪卻不太容易，正五邊形的每個(gè)內(nèi)角為108°，用三個(gè)五邊形會(huì)鋪不滿，四個(gè)五邊形會(huì)出現(xiàn)重疊。同樣的原因，八邊形、十邊形和十二邊形具有相同的麻煩，而晶體的結(jié)構(gòu)也遵循這樣的規(guī)律——因此一開始，科學(xué)家不敢相信謝赫特曼的發(fā)現(xiàn)，直到事實(shí)證明了準(zhǔn)晶體的存在。

在制造準(zhǔn)晶體的過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)母邷睾透邏旱淖饔孟?，原子可以變形以填充按照正五邊形或正十邊形結(jié)構(gòu)平鋪時(shí)剩余的間隙，這樣準(zhǔn)晶體就誕生了。

核爆與準(zhǔn)晶體

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道，準(zhǔn)晶體的誕生需要極端的條件，因此自然界中天然的準(zhǔn)晶體非常少，以至于人們在確定晶體的定義后很久才發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體。但是，在準(zhǔn)晶體發(fā)現(xiàn)之前，人們就已經(jīng)制造出它了——最近，意大利佛羅倫薩大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家盧卡·賓迪領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)首先找到了最早的人造準(zhǔn)晶體。

賓迪認(rèn)為，核爆炸的沖擊波可能可以制造準(zhǔn)晶體，因此他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在新墨西哥州阿拉莫戈多試驗(yàn)場附近的沙漠中尋找準(zhǔn)晶體。盡管準(zhǔn)晶體并不常見，但現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)看到過足夠多樣本，知道它們往往含有金屬元素，因此該團(tuán)隊(duì)主要在含有銅的三硝石礦石中尋找準(zhǔn)晶體。利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射等技術(shù)，他們分析了6個(gè)三硝石樣品，最后，他們在其中一個(gè)樣品中有所收獲——由硅、銅、鈣和鐵組成的微小的二十面晶粒，具有在傳統(tǒng)晶體中不可能有的五次旋轉(zhuǎn)對稱性，也即準(zhǔn)晶體的獨(dú)有特征。

1945年7月16日，美軍在新墨西哥州沙漠中進(jìn)行了世界上第一次核彈試驗(yàn)，在幾分之一秒內(nèi)，核爆釋放了相當(dāng)于2.1萬噸TNT炸藥爆炸產(chǎn)生的能量。爆炸燒毀了30米高的銅制試驗(yàn)塔和穿插其間的銅制電線，銅絲與地表的瀝青和沙子融合成三硝石。在這個(gè)過程中，核爆提供的極端沖擊、超高溫度和超強(qiáng)壓力使部分三硝石晶體變成了準(zhǔn)晶體。于是，世界上最早的人造準(zhǔn)晶體誕生了。

因?yàn)闇?zhǔn)晶體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，它具有一些獨(dú)一無二的功能。準(zhǔn)晶體的強(qiáng)度特別大，表面基本沒有摩擦力，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，不易被氧化而生銹。目前，準(zhǔn)晶體作為特種材料開始應(yīng)用于航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，用于制造牢固的儀器和武器的部件。此外，盡管其導(dǎo)熱性很差，但因?yàn)槠淠軐徂D(zhuǎn)化為電，因此，它們可以用作理想的熱電材料，將熱量回收利用，有些科學(xué)家正在嘗試用其捕捉汽車廢棄的熱量并轉(zhuǎn)換為電能。在日常生活中，準(zhǔn)晶體最常見的應(yīng)用則是作為不粘鍋的表面涂層。

而現(xiàn)在，準(zhǔn)晶體有了新的用途。目前，沒有人知道核爆炸是如何塑造準(zhǔn)晶體的，但總有一天，科學(xué)家會(huì)弄清楚這一點(diǎn)，然后就可以利用這些知識來全面地理解核爆炸的過程。另外，這個(gè)發(fā)現(xiàn)還可以用于遏制核軍備的擴(kuò)散，如果我們在某地發(fā)現(xiàn)了與此相似的準(zhǔn)晶體，就可以確定此處曾進(jìn)行核爆炸，還可以推測當(dāng)?shù)睾宋淦鞯漠?dāng)量和數(shù)量等信息。過去，人們通常采用分析放射性塵埃和氣體，以了解武器的構(gòu)造、當(dāng)量等信息，但是這些特征會(huì)因衰變而發(fā)生改變或消失。而準(zhǔn)晶體卻不會(huì)消失，它能提供更加準(zhǔn)確的核爆炸信息。

如果沒有善于發(fā)現(xiàn)問題且勇于堅(jiān)持真理的謝赫特曼，也許人們至今還沒發(fā)現(xiàn)“準(zhǔn)晶體”的秘密，因此，2011年，謝赫特曼獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)可謂實(shí)至名歸。這也啟示我們，無論何時(shí)都不要迷信權(quán)威，也許未來，改寫教科書的人就是你。