执着成就了丹尼尔舍特曼 准晶体发现者获得诺贝尔奖

丹尼尔·舍特曼

　　正如法国微生物学家路易·巴斯德（Louis Pasteur）有句名言所指出的那样，“在科学探索领域，机会只会留给那些有准备的人。”然而，仅仅给出一个问题的勉强解释是不够的――理解它，并弄清楚它对于世界的重要性，才是关键的。 　　丹尼尔·舍特曼（Daniel Shechtman），以色列理工学院科学技术研究所的一名化学家对这一点知道得非常清楚。10月5日，他因在1982年发现了准晶体――一种类似马赛克原子排列、但缺少空间周期性的材料，并对已经建立起来的晶体结构规则提出挑战――而被授予本年度诺贝尔化学奖。 

坚持：确信自己是正确的

　　然而，舍特曼并不是发现这种晶体踪影的第一个人。纽约伊萨卡康奈尔大学的物理学家维特·埃尔瑟（Veit Elser）说：“既然制造这种材料是件相对容易的事情，那么它们很可能在之前就被许多科学家观察到。但因为这些材料不符合晶体学的硬性规定，他们就把这种材料给舍弃了。” 　　确实，在1979年，一个名叫马克·范桑德（Marc van Sande）的27岁的博士研究生，参与了比利时安特卫普大学的材料科学电子显微学研究团队，他曾记录过金属合金电子显微镜下的衍射图像，清楚地显示了准晶体的存在。就在范桑德结束其博士学业时，当时因急于去比利时尤美可材料科技公司任职，他仅仅向材料科学电子显微学图书馆提交了杂乱的图像。目前他是这家公司的执行副总裁。 　　“在高分辨率电子显微镜的帮助下，我们每周都会有大量的新发现，以至于那些超出常规的东西被忽略掉了，”范桑德回忆道，“对于它们，我的想法是非常现实的，从对这一图像展开调查并把相关成果发表出来，将是一个非常漫长的过程。” 　　舍特曼并不知道范桑德已做过的工作。大约三年后，他观察到了相似的奇怪衍射图像，并解释了它们的重要性。事后，尽管受到化学家同时也包括两届诺贝尔奖获得者的莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）等人的嘲笑，但舍特曼对他从事的研究仍然充满自信。舍特曼对《自然》杂志说：“如果你重复观察到你所看到的东西，并且确信自己是正确的，这时你可以听取其他人的意见，但决不能放弃。因为人们通常会告诉你‘这是不可能的’。” 　　在30年以前，科学家们所接受的教育是，所有晶体材料都是由原子构成的三维格子有规律地重复排列组成的，就像蜂巢内六角形的蜂窝孔结构那样。这一定势实际上传递着这样的信息，由于具有特定的对称性，晶体的格子结构必定会有基本的重复单位：这些单位被旋转180度或90度或60度之后，看似仍然是原来的模样。但五角对称排除在外，因为它不能构成非常有规律的格子结构。 

执着：成就准晶体的发现

　　1982年4月8日，当时正在马里兰州盖瑟斯堡美国国家标准局（现在的美国国家标准和技术研究所，NIST）休假的舍特曼，发现一种铝和锰的人工合金材料并不遵循晶体的结构规则。 　　当他用电子显微镜观察这种材料时，它们产生了一个普通的衍射图像，可以明显地观察到，这些材料的原子结构包含有序的重复元素。但是，这张图像也显示了一种不被认可的对称性――无论被旋转36度还是72度，看上去仍然跟旋转之前完全相同。在他的实验记录中，舍特曼写道：“10倍？？？” 　　对舍特曼的工作，其他的人当时都不理解，他们尽力使舍特曼相信他的发现是错误的。舍特曼说：“（当时）人们都不相信我”。对于他的执着，甚至他的研究小组组长建议他加入到其他的团队去。由于舍特曼的坚持，1984年11月，他的研究成果最终得以发表。同时参与的人员还有：以色列理工学院的材料科学家宜兰·布莱什（Ilan Blech）、美国国家标准局的物理学家约翰·卡恩（John Cahn）和法国维特里冶金化学中心的晶体学家丹尼斯·格雷塔斯（Denis Gratias）。　一次偶然的机会，费城宾夕法尼亚大学的两位数学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和多夫·莱文（Dov Levine）同时完成了一个关于著名数学珍玩“彭罗斯贴砖”――1970年由英国数学家罗格·彭罗斯（Roger Penrose）设计，这种贴砖具有明显的五倍对称结构――的三维版本的虚构模拟。斯坦哈特提出了“准晶体”术语来描述这一新发现的结构：既没晶体典型的空间周期性，也没有玻璃般原子的无序杂乱。它们正是舍特曼在他的金属合金中所看到过的结构。 

一个准晶体原子结构自身并不完全重复，正如这张电脑模拟图片所展示的那样

　　很快，其他相关的例子在全球各地被大量发现。2009年，斯坦哈特和其他研究人员报告称，在一种天然材料――来自于俄罗斯科利亚克山脉生成时间约2亿年之久的岩石中的一种铝、铜和铁的合金――中首次发现准晶体结构。 　　目前仍然不清楚原子是如何集中排列成准晶体结构的，而且这一发现也没有被应用于现实生活中。但是，准晶体确实具有很多潜在的用途：它们非常坚硬，导热性和导电性非常差，并且表面非常光滑平整。然而，斯德哥尔摩大学的无机化学家、同时也是诺贝尔奖化学委员会成员的斯文·里顿（Sven Lidin）认为，舍特曼对于化学的最大贡献在于，他使科学家们认识到一种新的物质形式存在的可能性。 　　正如里顿在对获奖者的描述中写的那样：“对于准晶体的发现，其过程告诉我们，在研究中始终要保持谦虚的工作态度。” 

资料来源 Nature

责任编辑 则 鸣

化学界的孤独英雄

丹尼尔·舍特曼（Daniel Shechtman）今年独享了诺贝尔化学奖――在历次颁发的诺贝尔奖项中，化学奖一人揽奖的情况发生几率为61%，而物理学奖和生理学或医学奖发生的几率分别为45%和37%。由于国际科研合作团队和大的科研项目主导了目前的科学研究，瑞典皇家科学院已经发现自己正遭遇到这一规则的限制，即任何一门学科领域，诺贝尔奖不能同时授予三个人以上――这种限制已经非常明显（见上表）。自2000年以来，获得这三项诺贝尔科学奖的科学家人数的几种可能中，最多为9人的情况出现频率最高。（来源：世界科学）

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