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詳細內(nèi)容

準晶,我先發(fā)現(xiàn)的但沒告訴導師,因為畢業(yè)比諾獎重要

準晶,是一種介于晶體和非晶體之間的固體,它是由一位叫達尼埃爾·舍特曼的以色列物理學家發(fā)現(xiàn)的。1982年4月8日,舍特曼在觀察一種錳鋁合金的時候,發(fā)現(xiàn)在自己的電子顯微鏡上,出現(xiàn)了一種旋轉(zhuǎn)36°對稱的圖形。沒過多久,他又在合金中發(fā)現(xiàn)了一種72°旋轉(zhuǎn)對稱的圖形,類似于下面兩幅圖。




多么美妙的圖案啊,而且從未被人發(fā)現(xiàn)過。他認為這種晶體是傳統(tǒng)晶體和非晶體之間的一種,于是將這種從未見過的固體命名為準晶,興沖沖地寫了一篇論文投遞給大牛期刊 Journal of Applied Physics(JAP)。然而,兩年后,被期刊斷然拒絕,拒絕的理由是↓↓




發(fā)表過無數(shù)重要發(fā)現(xiàn)的著名核心期刊 JAP 的固執(zhí)令人震驚,并且完全沒有松動的意思。

而現(xiàn)如今,準晶已經(jīng)成為了一大研究方向。2011年,瑞典皇家物理學院將諾貝爾化學獎頒給舍特曼,以鼓勵他為準晶的發(fā)現(xiàn)做出巨大貢獻。準晶作為新世紀的一大寵兒,憑借其獨特的性質(zhì),在各大核心刊物上,占據(jù)了不少席位。但是,我們回頭看1984年的 JAP,未免會感到疑惑,為何當年的 JAP 會如此固步自封呢?

這個故事就說來話長了。

很久以前,人們便發(fā)現(xiàn),在很多固體的內(nèi)部,原子常常按一定規(guī)律排列,這種排列方式在一定程度上決定了固體的性質(zhì)。人們將內(nèi)部排列有規(guī)律的稱之為晶體,而無規(guī)律的,則稱之為非晶體。人們認識到,晶體的內(nèi)部不僅具有平移對稱性,還具有旋轉(zhuǎn)對稱性,而非晶體僅僅具有短程有序性,即局部區(qū)域中有序。在很長一段時間里,人們認為,世界上只有這兩種固體,晶體和非晶體。

從旋轉(zhuǎn)對稱性來說,依照傳統(tǒng)晶體觀點,晶體的二維圖的對稱軸應該只有五種,1、2、3、4、6條。像舍特曼得到的5次對稱軸和10次對稱軸,從晶體理論上來說,是不可能存在的。因為從數(shù)學的角度上說,這種5次對稱軸和10次對稱軸得到的圖案,不可能形成既平移對稱又旋轉(zhuǎn)對稱的圖形。That’s impossible!

不存在5次和大于6次對稱軸的晶體,這種學界主流公認晶體觀點被寫進教科書,一百年都沒有人懷疑過。

基于這種晶體理論,面對舍特勒的發(fā)現(xiàn),當時著名的諾貝爾化學獎和諾貝爾和平獎獲得者萊納斯鮑林發(fā)表了著名言論:“這個世界上沒有準晶,只有蹩腳的科學家?!彼J定準晶是不存在的,舍特曼的發(fā)現(xiàn)其實是晶體的孿晶,作為當時的學術(shù)大牛,他的言論給舍特曼帶來了巨大的壓力。

面對阻力,舍特曼沒有放棄自己的研究,他先是把論文投給了另一家期刊 Physical Review Letters(PRL),一邊將自己的成果拿去美國,尋求美國科學共同體內(nèi)的廣泛認同。幸運的是,PRL遠比JAP要靈活的多,獨具慧眼的編輯決定讓這篇文章盡快發(fā)表出來。隨后不久,相關(guān)的類似晶體研究(來自日本,中國,美國)迅速占領(lǐng)了大家的眼球,準晶正式成為固體大家族的一員,開始炙手可熱的時代。

再過回頭來,讓我們看一眼這張圖:




可以看出,很明顯,圖的細節(jié)上是非周期性的,它確實不像傳統(tǒng)的晶體模型,能提取一種無限重復的圖案。但是整體來看,它又具有明顯的規(guī)律性。這種由非周期性的圖案鋪滿整個平面的構(gòu)思,來自于和舍特曼同時期的英國數(shù)學家彭羅斯。如下圖中,兩種不同的圖形制成的整個平面的平鋪圖,便是大名鼎鼎的彭羅斯拼圖。彭羅斯拼圖跳出了傳統(tǒng)的正方形拼圖的觀念,巧妙地采用了一系列非周期性的磚組,構(gòu)成了一系列規(guī)則的圖案。這從數(shù)學的角度,有力地證明了準晶存在的可能性,肯定了舍特曼的工作。彭羅斯本人也獲得了1988年的沃爾夫獎,這是數(shù)學界的最高獎之一。




一直以來,準晶的反對者一直堅持一種觀點,舍特曼做出準晶的衍射圖樣是電子衍射圖,沒有X射線衍射圖就什么都不是。我們今天知道X射線衍射和電子衍射從原理上說沒什么區(qū)別,但是當時的權(quán)威卻對這樣的反對堅信不疑。86年后,法國的一個組花了三年時間做出了準晶的X射線衍射圖樣,舍特曼拿著衍射圖樣找到了晶體學會議,終于說服晶體學的大佬們接受了準晶。在這之后,只有上文中著名的鮑林依舊反對準晶存在,但是從鮑林去世以后,世上就再也沒有反對準晶的聲音。

有趣的是,在準晶發(fā)現(xiàn)后的某一天,一位歐洲的科學家在整理自己的舊實驗記錄的時候,意外發(fā)現(xiàn)有一張很久以前自己研究生做出來的準晶衍射圖。導師給學生打電話說:“你知不知道,你在舍特曼之前發(fā)現(xiàn)了準晶的衍射圖!”學生回答:“知道啊?!睂煔獾拿盁煟骸澳阒溃阒罏槭裁床惶崆案嬖V我?”學生回答:“我那時候都快畢業(yè)了,如果我要告訴你的話,你一定還要讓我延期兩年?!?br /> ……

所以說,有的時候,知識越多反而會成為我們的桎梏。在研究過程中發(fā)現(xiàn)的奇怪現(xiàn)象,一定要大膽假設,小心求證,萬一……不小心搞出來個諾貝爾獎呢?

最后,補充幾個準晶、非晶、晶體示意圖,這樣大家也就能直觀地感受到準晶的魅力了。






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