新的科學(xué)真理能夠獲得勝利，并不是因?yàn)樗苷f(shuō)服其反對(duì)者，讓他們看到光明，而是因?yàn)榉磳?duì)者終究都會(huì)死掉，熟悉它的新一代人則會(huì)成長(zhǎng)起來(lái)。——馬克斯·普朗克（德國(guó)物理學(xué)家）
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丹·舍特曼（Dan Shechtman）位于馬里蘭州蓋瑟斯堡（Gaithersburg）的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所（NIST）的實(shí)驗(yàn)室很小，主要由一個(gè)近3米高的透射電子顯微鏡(TEM)組成，這個(gè)設(shè)備能夠觀察物質(zhì)的最微小部分。丹·舍特曼剛剛完成了早晨例行的實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備工作，檢查了顯微鏡，調(diào)整了電射透鏡，并瀏覽了預(yù)定用于分析的樣品清單。他把日期寫在實(shí)驗(yàn)記錄本的最上面，即1982年4月8日，然后把樣品放進(jìn)顯微鏡里。這是一種熔體紡絲合金，由86%的鋁和14%的錳組成。加速電子束穿過(guò)薄的樣品后，熒光屏上出現(xiàn)了幾個(gè)發(fā)光的綠點(diǎn)，形成了如下衍射花紋。
丹·舍特曼于1982年4月8日上午觀察到的衍射花紋。這個(gè)樣本有點(diǎn)奇怪?！安豢赡苡羞@種事”，他喃喃自語(yǔ)道。在檢查了樣本上幾個(gè)不同的斑點(diǎn)后，他發(fā)現(xiàn)了同樣的異常。最后，他在他的實(shí)驗(yàn)記錄本的樣本標(biāo)簽旁邊寫了一張紙條：“10重？？？”
丹·舍特曼的實(shí)驗(yàn)記錄本的樣本標(biāo)簽旁邊帶有注釋“ 10重???”為什么丹·舍特曼對(duì)這種特殊的衍射圖案如此困惑?因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)晶體的定義是:“一種物質(zhì)，其中的原子、分子或離子以一種有規(guī)律的、周期性的、三維模式排列”。根據(jù)晶體局限定理（crystallographic restriction theorem），普通晶體只能具有二重、三重、四重或六重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。然而，丹·舍特曼觀察到的這種完美的衍射圖樣，顯示出10重的對(duì)稱性，這種對(duì)稱性可能源自于十邊形或五邊形的原子排列。由于在當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為不可能以一種周期性的模式密集地堆積五邊形(圖右)，因此，這種晶體結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是荒謬的。
丹·舍特曼知道他的觀察結(jié)果與晶體學(xué)基本規(guī)律相矛盾，于是，他用了一整天的時(shí)間試圖找出一個(gè)合理的解釋，但沒(méi)有成功。盡管如此，他還是決定把實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告給團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、著名的材料科學(xué)家約翰·W·卡恩(John W. Cahn)?？ǘ髌鸪跻渤謶岩蓱B(tài)度，但最終還是鼓勵(lì)舍特曼進(jìn)一步研究這一奇怪的材料。兩年后，舍特曼和布萊赫（Blech）共同撰寫了一篇題為《快速凝固Al6Mn的微觀結(jié)構(gòu)》（The microstructure of rapidly solidified Al6Mn）的論文，在被一些著名的科學(xué)雜志退稿后，最終在《冶金學(xué)報(bào)A》(Metallurgical Transactions A)上發(fā)表。與此同時(shí)，約翰·卡恩在1984年夏天看到舍特曼和布萊赫論文的草稿后認(rèn)為，舍特曼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果值得在更合適的科學(xué)期刊上快速發(fā)表。舍特曼接受了這一觀點(diǎn)，并在事后將其稱為“勝利之舉”。這篇題為《長(zhǎng)程取向有序無(wú)平移對(duì)稱的金屬相》的論文發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters, PRL)上，文章重復(fù)了舍特曼的觀察結(jié)果，并使用了與《冶金學(xué)報(bào)A》上發(fā)表的論文相同的插圖。讓人沮喪的是，論文發(fā)表不久，舍特曼和他的工作遭到了晶體學(xué)界同行們的強(qiáng)烈抨擊，一位資深同事甚至指責(zé)他是團(tuán)隊(duì)的恥辱，并要求他離開(kāi)團(tuán)隊(duì)。隨著時(shí)間的推移，也隨著其他科學(xué)家開(kāi)始再現(xiàn)他的試驗(yàn)結(jié)果，反對(duì)的聲音才逐漸減弱。術(shù)語(yǔ)“準(zhǔn)周期性晶體”或“準(zhǔn)晶體”的產(chǎn)生，就是為了解釋它們不具有三維周期性的獨(dú)特規(guī)律。1991年，法國(guó)科學(xué)家對(duì)2毫米的Al-Cu-Fe準(zhǔn)晶進(jìn)行了中子衍射研究，獲得了對(duì)應(yīng)于五重對(duì)稱性的離散衍射圖樣。
這一成果有力地證明了五重對(duì)稱性并不僅是在納米尺度上發(fā)現(xiàn)的一種奇特現(xiàn)象，而是某些鋁合金的真實(shí)特征。為了說(shuō)明這組新材料，國(guó)際晶體學(xué)聯(lián)盟在1991年決定將原來(lái)的晶體定義修改為“一種具有本質(zhì)上不同的衍射圖案的材料”。盡管如此，仍有一些科學(xué)家堅(jiān)決反對(duì)。例如諾貝爾獎(jiǎng)兩次獲得者萊納斯·鮑林（Linus Pauling），直到他1994年去世之前，仍一直強(qiáng)烈反對(duì)準(zhǔn)晶體的觀點(diǎn)，并經(jīng)常說(shuō)：“沒(méi)有準(zhǔn)晶體，只有準(zhǔn)科學(xué)家。”
伊斯蘭裝飾圖案的結(jié)構(gòu)與準(zhǔn)晶體之間的相似性。在14世紀(jì)建造的幾個(gè)摩洛哥歷史建筑中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)周期模式。那么，如何通過(guò)密堆來(lái)調(diào)和五重和十重對(duì)稱性呢？解決這個(gè)難題的關(guān)鍵部分來(lái)自于英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）的工作，他以黑洞的研究而聞名。在他1974年發(fā)表的論文《美學(xué)在純數(shù)學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)研究中的作用》(The role of aesthetic In pure and applied mathematical research)中，論證了一個(gè)具有五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的非周期性模式是如何從兩個(gè)簡(jiǎn)單構(gòu)件的特殊排列中產(chǎn)生的。該圖案后來(lái)被稱為彭羅斯密鋪（圖a）。與普通晶體的密鋪相反（圖b），盡管排列有序（結(jié)構(gòu)規(guī)則），但沒(méi)有沿任何方向重復(fù)該圖樣的單個(gè)圖案（缺乏周期性）。請(qǐng)注意，也可以存在沒(méi)有任何規(guī)則的密鋪結(jié)構(gòu)（圖c）。
與三種材料結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的三種不同的密鋪方式：準(zhǔn)晶體，普通晶體和玻璃這三種平面排列的方式可以視為不同材料結(jié)構(gòu)的2D解釋。因此，圖2c中的不規(guī)則密鋪對(duì)應(yīng)于玻璃，圖2b中的周期性和規(guī)則密鋪對(duì)應(yīng)于晶體的經(jīng)典概念，而圖2a中所示的規(guī)則但非周期性的密鋪結(jié)構(gòu)，類似于準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)。今天的準(zhǔn)晶體大致可分為兩類：二維和較為罕見(jiàn)的三維。二維準(zhǔn)晶體沿一個(gè)軸是周期性的，而三維準(zhǔn)晶體在每個(gè)方向上都是非周期性的。在后一種情況下，從十二面體的密鋪中出現(xiàn)了三維等效的彭羅斯密鋪圖案(圖左)。與普通晶體相似，宏觀尺度上的三維準(zhǔn)晶體傾向與其微觀結(jié)構(gòu)相似的形狀(圖右)。
左）在太空中十二面體密集堆積的藝術(shù)表現(xiàn)（來(lái)源：Pinterest，Regolo Bizzi）右）正十二面體形狀的Ho-Mg-Zn準(zhǔn)晶體。科學(xué)上經(jīng)常發(fā)生這樣的情況，即自然現(xiàn)象和實(shí)際應(yīng)用先于發(fā)現(xiàn)。一旦新的概念被推出，它的證明案例幾乎到處都是。例如，從15世紀(jì)起，伊朗伊沙凡的達(dá)布-伊瑪目(Darb-e-Imam)神殿中發(fā)現(xiàn)了類似于準(zhǔn)水晶的十邊形圖案。
達(dá)布-伊瑪目(Darb-e-Imam)神殿一個(gè)拱肩上的十邊形瓷磚圖案。1985年Ishimasa等人報(bào)道了Ni-Cr顆粒中的十二重對(duì)稱性。之后在V-Ni-Si和Cr-Ni-Si合金中又發(fā)現(xiàn)了八重對(duì)稱衍射圖。多年以來(lái)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾百種具有多種組成和對(duì)稱性的準(zhǔn)晶體。最早發(fā)現(xiàn)的這種準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，一旦加熱就會(huì)重新變成規(guī)則晶體。但是1987年的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了許多種穩(wěn)定的準(zhǔn)晶體，這樣就可以合成更大的準(zhǔn)晶體用于進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究。2009年，在俄羅斯卡蒂爾卡(Khatyrka)隕石上發(fā)現(xiàn)了二十面體的天然準(zhǔn)晶顆粒Al63Cu24Fe13。對(duì)卡蒂爾卡隕石的進(jìn)一步研究揭示了另一種天然準(zhǔn)晶的微米大小的顆粒，它是具有十重的對(duì)稱性的Al71Ni24Fe5。
卡蒂爾卡隕星的天然Al71Ni24Fe5準(zhǔn)晶微米大小顆粒的原子圖像
相應(yīng)的衍射圖顯示出十重的對(duì)稱性準(zhǔn)晶體是一種硬而脆的材料，其應(yīng)用目前僅限于少數(shù)領(lǐng)域。1、低摩擦的Al-Cu-Fe-Cr準(zhǔn)晶體被用作煎鍋的涂層。1988年，法國(guó)誕生了第一個(gè)準(zhǔn)晶應(yīng)用的專利——不粘鍋涂層，這種涂層現(xiàn)在已經(jīng)替代了傳統(tǒng)的聚四氟乙烯涂層而廣泛地被人們使用；2、準(zhǔn)晶材料還具有良好的隔熱性，因而被用作飛機(jī)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的隔熱涂層；3、將準(zhǔn)晶材料與其他材料混合使用，可以制得太陽(yáng)能選擇吸收材料以及高強(qiáng)度的復(fù)合材料，這些材料對(duì)于光電、建筑等領(lǐng)域有著重要的意義；4、準(zhǔn)晶由于具有二十面體的特殊結(jié)構(gòu)，對(duì)稱性和電阻率都較高，易磁化軸數(shù)較多，因而有望發(fā)展成為新型軟磁材料。5、而添加小的準(zhǔn)晶體顆?？墒逛撚不?，有一種沉淀硬化的不銹鋼是由小的準(zhǔn)晶體顆粒強(qiáng)化的。6、關(guān)于準(zhǔn)晶體的研究仍在進(jìn)行中，新的迷人的特性(如超導(dǎo))也正在不斷被發(fā)現(xiàn)。丹·舍特曼(Dan Shechtman)就是這樣一位科學(xué)家，盡管他的準(zhǔn)晶學(xué)說(shuō)備受同行的反對(duì)和非議，也與常識(shí)相悖，卻敢于堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)。2011年，他被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)被問(wèn)及對(duì)其他有抱負(fù)的科學(xué)家有何建議時(shí)，他說(shuō)，“去尋找那些看起來(lái)不可能的東西，去探索那些不可能的東西?！?/span>丹·舍特曼的故事告訴我們，即使是最偉大的科學(xué)家也會(huì)陷入到教條的迷宮之中難以走出。保持開(kāi)放的思想和敢于質(zhì)疑的精神才是科學(xué)家們最重要的特質(zhì)。
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