新闻报道 | 2011.10.05
诺贝尔化学奖授予丹尼尔·舍特曼
以色列科技学院名誉教授丹尼尔·舍特曼因发现"准晶体"荣获今年诺贝尔化学奖，而且一人独得。
图:丹尼尔·舍特曼



【2011诺贝尔奖•化学 】“准科学家”的准晶体
作者: 赵威
2011-10-13 14:41:33 来源:南方周末
准晶体是自然界固体物质中的另类，发现它的科学家起初也被另眼看待。
以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼（Daniel Shechtman）因发现准晶体，独享2011年诺贝尔化学奖。
诺奖评选委员会给出的获奖理由是，谢赫特曼在29年前首次在电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象——当时所观察的铝合金中的原子，是以一种不重复的非周期性对称有序方式排列的，而按照当时的理论，具有此种原子排列方式的固体物质是不存在的。
这次发现，在当时引起极大争议。晶体学权威、两届诺贝尔奖得主鲍林（Pauling）曾公开声称：谢赫特曼是在胡言乱语，没有什么准晶体，只有“准科学家”。
为维护自己的发现，谢赫特曼被迫离开当时的研究小组，但这一发现从根本上改变了科学家对固体物质结构的认知。

以色列科学家谢赫特曼

令人着迷的准晶体
准晶体是自然界固体物质中的“另类”，它不具备晶格周期性，却显现长程有序性。
在晶体结构中不允许出现5次和6次以上的旋转对称性，这是被写进教科书的国际学术界主流观点，一百多年来没有人去怀疑它的正确性。
早在十九世纪，德国科学家就总结并通过数学严格证明，为了满足晶体的平移对称性，晶体只能出现n=1、2、3、4、6等五种旋转对称轴，不可能出现n=5和n>6次的对称轴。
传统的晶体学理论断言，由于受到晶体平移周期性的限制，五次旋转对称是不存在的。
然而挑战来自谢赫特曼的一次无意发现。29年前，41岁的谢赫特曼正在美国霍普金斯大学从事航空用高强度铝合金研究工作。
1982年4月8日的早上，一幅违反自然定律的图像出现在谢赫特曼的电子显微镜中：快速冷却的Al4Mn合金中出现了一种新的相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性，但并无平移周期性。
这种模式曾被认为是不可能的，就像不可能单纯用六角形制造足球，因为同时需要五角形和六角形。
科学界对准晶体的理解和描述，需要借助数学，同时从中世纪阿拉伯风格马赛克镶嵌装饰艺术中汲取灵感。
被数学家称为非周期性“镶嵌”帮助科学家理解了准晶体在原子水平的特征，比如在西班牙阿尔罕布拉宫和伊朗Darb-iImam神殿中发现的中世纪伊斯兰镶嵌艺术，这些镶嵌模式是规则的——它们遵循数学法则——但它们从不重复自己。
正如诺贝尔化学奖评审委员会的解释：“在准晶体内，我们发现，阿拉伯世界令人着迷的马赛克装饰得以在原子层面复制，即常规图案永远不会重复。”

倔强的“准科学家”
准晶体的发现，破除了几百年来关于晶体必须具有周期性，因而不可能存在五重旋转对称的信条。然而，挑战当时主流科学权威的谢赫特曼却遭遇到来自主流科学界、权威人物的质疑和嘲笑。
“当我告诉人们，我发现了准晶体的时候，所有人都取笑我。”谢赫特曼在一份声明中说。“的确，那时候的人们压根不会接受那种晶体的存在。”美国化学协会主席纳西·杰克逊说，“因为他们认为这违反自然界‘规则’。”
发现“准晶体”后，谢赫特曼花费了好几个月的时间，试图说服他的同事，但一切均徒劳，没人认同他的观点。不仅如此，他还被要求离开他所在的研究小组。倔强的谢赫特曼只有返回以色列，但仍然四处寻求将“准晶体”的研究成果公开发表。
美国《应用物理杂志》的编辑给他发来了退稿信，成名后的谢赫特曼对此事仍耿耿于怀，他作学术报告时总喜欢把那封退稿信作为第一张透明片，来讽刺那位编辑。
1984年，谢赫特曼终于遇到了志同道合者。
法国CNRS冶金化学研究所的D.Gratias在加州大学的一次理论物理讨论会中发现，他们关于二十面体理论模型的衍射花样与谢赫特曼等人的实验结果完全一致。他们决定把理论和实验结果同时寄到物理学最权威的《物理评论快报》（Physical
Review Letters），独具慧眼的编辑让两篇文章以最快的速度先后发表，立即在化学界引发轩然大波。
以双料诺贝尔奖获得者鲍林（Pauling：1954年诺贝尔化学奖，1962年和平奖，1995年去世）为代表的保守势力，要誓死捍卫传统晶体理论的“纯洁性”，他们认为所谓准晶就是众人皆知的孪晶，在Nature发文用胡说八道（nonsense）形容准晶的发现，并利用自己的特殊身份在《美国科学院院刊》上连发檄文，反对准晶。
近30年后，勇敢质疑“常识”的谢赫特曼终于获得全世界最权威的科学认可。“谢赫特曼的发现是科学界最伟大的发现之一，勇敢挑战了当时的权威体系。”纳西·杰克逊说。
1941年出生的谢赫特曼，如今在以色列北部城市海法任以色列工学院教授。

郭可信的遗憾
就在谢赫特曼饱受质疑之时，来自中国的研究成果给了他强有力的支持。
1985年，我国著名科学家郭可信院士的科研团队，在过渡族金属合金中也独立地发现了五次对称电子衍射图，不过遗憾地与第一名擦肩而过。
郭可信的学生还先后发现了二维八次对称准晶和十二次对称准晶，并在国际上首次生长出毫米级的十次稳定准晶单晶。郭可信院士的研究团队因发现五次对称及Ti2Ni准晶，在国际学术界产生重要影响并获得高度评价，被称为“中国相”。
1987年，郭可信先生在一次讨论准晶体的国际学术会议上，针对晶体学权威、诺贝尔化学奖得主鲍林斥责“准晶”一词为胡说八道，以自己的实验观察结果为依据，批驳了“准晶”实际是“孪晶”的观点。
准晶的研究，创造了中国科学的一个奇迹，被认为是真正达到国际水平的一项研究。
2011年10月5日，谢赫特曼在出席以色列工学院举行的新闻发布会上称，这一奖项不属于他自己，而属于所有在这一领域从事研究的学者。
“现在，数以千计的科学家在我开辟的领域作研究，我确定，每个人都把这个奖项当作他们获得的成就，这是他们应得的，如果没有这些科学家，这项研究不会取得现在的成绩。”
遗憾的是，郭可信先生于2006年12月13日在北京大学第三医院因病逝世。有学者称，这可能是目前为止中国科学家距离诺贝尔奖最近的一次。