见怪不怪准晶体

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有一位科学家发现了一种富有争议的现象，该发现使化学家们不得不重新定义晶体的概念。今年的诺贝尔化学奖由这位科学家获得。1982年，海法市以色列理工学院的丹尼尔•谢赫特曼（Daniel Shechtman）发现，一种铝锰合金好像具有五重对称性，也就是说，当其中的原子形成的图案旋转五分之一周（72度）时，图案看起来基本上是相同的。其他研究人员都嘲笑该发现，因为当时这种排列被认为在数学上是不可能做到的。然而，科学家们最终认识到，通过自身的排列，图案达到几乎重复但永远也不能重复时，固体中的原子可以得到这样的对称，变成“准晶体”。

他被老板“请”出实验室

“他的确应该获得诺贝尔奖，因为是他把‘不是晶体的晶体’引进了化学领域的一个新阶段。”牛津大学的数学家罗杰•彭罗斯（Roger Penrose）说。彭罗斯在解释这种材料方面起到了间接的作用。英国皇家学会化学分会会长大卫•菲利普斯（David Phillips）在一次声明中说：“准晶体相当漂亮，在保护性合金和涂层方面有着潜在的实际用途。”

在谢赫特曼发现准晶体之前，对晶体的解释是――晶体材料中的原子呈周期性重复排列。就像孩子们的简单游戏所证明的那样，该解释对晶体可能拥有的对称性提出了限制。假如你想通过排列一模一样的瓷砖来铺盖桌面，利用重复的三角形瓷砖可以完成这项含有技巧的任务，所以有可能制造出具有三重对称性的晶体；利用四边形和六边形瓷砖也可以完成这项任务，因此也可以制造出四重和六重对称性的晶体。但是，利用五边形瓷砖无法完成这项任务，因为瓷砖之间总会有空隙。于是，不可能存在具有可重复排列的五重对称性晶体。

然而，谢赫特曼领会了他所看到的情况。1982年4月8日上午，在马里兰州盖瑟斯堡市国家标准与技术研究院工作期间，谢赫特曼取了铝锰合金样品，为了防止结晶，他事先将样品速冻，并向其中发射了电子束。如果这种材料中存在有序排列的原子，电子就会通过原子的表面衍射出来，并且以特定的角度显现出探测器可以辨认的图案。谢赫特曼看到的衍射图案不同于以往看到的任何图案：它是亮点构成的同心圆，每个圆圈内有10个点。这些圈符表明，不可能的对称性是存在的。

谢赫特曼用尽一切办法，一再检查自己的实验。当他最终把自己的发现告诉同事之后，他遭遇到解雇和嘲笑。他的主张引起了极为尴尬的局面，以至于老板“请”他离开那个研究团队。1984年11月，他的研究结果最终发表在《物理评论快报》上时，同样引起了强烈的反对。“我曾经收到一封愤怒的信件，是著名评论家莱纳斯•鲍林（Linus Pauling）写来的，”彭罗斯说。逐渐地，其他晶体学家也得到了同样的结果，可是他们原以为那是孪晶的迹象，没有予以考虑。孪晶是连在一起的成对晶体，它们的方向不同，其界面会引起不同寻常的衍射图案。

不要低估大自然的想象力

一旦科学家们确信这种衍射图案是真实的，他们就需要搞明白其中的原子是如何排列的。答案是由那些像孩子们一样一直在思考瓷砖形状的数学家们提供的。一些数学家对马赛克镶嵌工艺一直感到迷惑不解：数量上有限的、不同形状的瓷砖拼在一起，形成的图案从不重复。阿拉伯艺术家早在13世纪时就运用了这样的镶嵌工艺来装饰建筑物，例如当时装饰的西班牙格拉纳达市的阿尔汉布拉宫。20世纪60年代和70年代的时候，数学家们企图发现最少用多少块瓷砖就可以拼出这种非周期性的图案。20世纪70年代中期，彭罗斯得出答案：仅用两块菱形瓷砖作为一套就可以做到这一点。看一看彭罗斯图案，你就可以发现其中有许多五边形和十边形。

这使得一些化学家开始考虑原子是否可以采用同样方式的排列图案。晶体学家阿伦•麦凯（Alan Mackay）利用圆圈代表彭罗斯瓷砖砖角处的原子，建造了一个模型，然后计算了将会产生怎样的一种衍射图案。结果，圆圈中的亮点呈现出十重对称。更早几年的时候，宾夕法尼亚大学的保罗•斯坦哈特（Paul Steinhardt）及其学生道伍•莱文（Dov Levine）也一直在设计基于彭罗斯瓷砖的理论结构。1984年秋季，一个同事把预先打印的谢赫特曼论文初稿拿给斯坦哈特看。“我激动得跳了起来！两块瓷砖看起来吻合得很漂亮，”斯坦哈特说。谢赫特曼把自己的观察跟彭罗斯式结构联系起来之后不久，斯坦哈特和莱文发表了一篇论文，并且创造了“准晶体”这个术语。

准晶体在很大程度上仍然是个谜，例如，人们还不知道如此复杂的远程结构是如何由单个原子构成的。“这些结构的产生不可能是简单地基于某些褊狭的规则，一定存在某种微妙的形成原理，”彭罗斯说。斯坦哈特同意彭罗斯的看法。“我们运用在晶体上的数学技法，在准晶体上行不通，”他说，“我们无法很好地预测准晶体的特性。”

准晶体存在于大自然中。三年前，在俄罗斯东部的科里亚克山脉曾经发现过一种准晶体矿物。准晶体也存在于世界上一种最为耐用的钢材中。这种钢材是由瑞典的一家公司制造的，用于刀片和手术针上。目前，准晶体开始在其他的工业领域找到用武之地，例如：平底锅的不粘层，发动机的隔热层，以及回收废热用的热电材料等。“现在，谢赫特曼的准晶体广泛地用于改善工程材料的机械特性，而且准晶体是结构科学中一个全新分支学科的基础。”牛津大学的安德鲁•古德温（Andrew Goodwin）在发表声明时说，“如果说他的研究中存在一个值得我们吸取的特殊教训，那就是不要低估大自然本身的想象力。”

至于晶体的定义，国际晶体学联合会于1992年把其从“规则有序而重复排列的原子构成的固体”改为“衍射图案基本明确的任何固体”。

（作者单位：邢台学院外语系）