准晶体获得大奖

今年10月5日，丹尼尔·谢赫特曼(Daniel Shechtman)因发现准晶体而获得2011年诺贝尔化学奖。但是，当准晶体界认为谢赫特曼终于被承认是正确的时候，更大的科学界争先恐后地翻阅他们的教科书，复习这些非周期晶体。

然而，很快吸引公众想象力的并不是准晶体本身，而是它们背后的人类故事。谢赫特曼的发现如何要求对结晶学领域进行彻底的反思，以及莱纳斯·鲍林直到去世的那一天都在抵制这些发现。

“谢赫特曼不是第一个观察到这种模式的人，”瑞典隆德大学(Lund University)的斯文·利丁(Sven Lidin)说，他也是诺贝尔奖委员会成员，“但他是第一个承认它们有某种意义的人。他补充说，丹尼·谢赫特曼的伟大之处在于他的坚韧，即使周围的人都说他错了，他也不会放手。

这种坚持最终得到了回报，并导致了结晶学教科书的重写和晶体本身的定义。“科学界有很多离谱的说法，”利丁说。碰巧这条是对的。

我简直不敢相信自己的眼睛

谢赫特曼几乎整个职业生涯都在位于海法的以色列理工学院度过。然而，上世纪80年代初，他在美国马里兰州的美国国家标准局(现为美国国家标准与技术研究所)休了两年假。谢赫特曼在以色列的家中解释说:“我当时正在为航空工业开发新型铝合金。”

这项工作的一部分包括向合金发射电子，并使用产生的衍射图案来计算出它们的原子结构。1982年4月8日，谢赫特曼在一种含14%锰的铝合金上进行了电子衍射实验，但得到的衍射图样很奇怪。这种晶体呈现出尖锐的布拉格峰，表明其结构是有序的，但其模式表明这种晶体是不可能存在的。

在Shechtman的实验书条目中，你可以读到曝光列表，最下面的部分是注释“(10折??)”。谢赫特曼有一个十倍对称的衍射图样。旋转他的样品，他在晶体中发现了两倍、三倍和五倍的旋转轴。它是二十面体。

今天，人们接受晶体可以是二十面体，但在1982年，这是一种亵渎。每个人都被教导晶体是有序的，由相同单位细胞组成的重复结构，这些细胞间隔相等，相互配合形成晶格，就像蜂巢一样。五边形(五重对称)不能以有序的方式组合在一起，根据教科书，你唯一能拥有的对称是二、三、四和六重。

当然，有一种“禁止的”反射可以出现——成对，两个晶体重叠——但谢赫特曼已经解释了这一点，他确信他只看到了一粒晶体。接下来，他必须发表他的研究结果，这证明了第一个困难。

谢赫特曼说:“在大约两年的时间里，我试图说服人们这是一种新事物，但没有人同意我的观点。”“这是对我的科学的拒绝。”Colleagues told Shechtman to go away and read a textbook. Eventually he was even asked to leave his research group. Shechtman recalls that one journal rejected his first manuscript describing his findings as ‘not being of interest’. That paper got accepted elsewhere, but was held up in publication. Eventually, in late 1984,物理评论快报接受并发表这一发现。¹“这篇文章发表后，一片混乱!”

志趣相投

谢赫特曼手稿的一份预印本被保罗·斯坦哈特(Paul Steinhardt)找到了，他现在在美国普林斯顿大学。在看到眼镜(无序系统)中的二十面体键序后，Steinhardt想知道是否有一种方法可以在更有序的系统中具有二十面体对称。自1981年以来，他一直在研究这个想法。

斯坦哈特发现彭罗斯平铺体不仅是准周期性的，而且具有完美的五重对称，他意识到准周期性可以用来制造具有二十面体对称的结构。准晶体由两个单元组成，以一种不重复的模式组合在一起，就像三维版的彭罗斯瓷砖。斯坦哈特解释说，因为每个组成单元都有布拉格峰衍射，“你可以有一个像晶体一样有布拉格峰衍射的东西，但它本身不是晶体”。“到1984年，我们开始计算衍射图样，告诉人们如何寻找它。”

当一位合作者来访时，斯坦哈特很兴奋地向他展示了这些新的衍射图案，但他的朋友也有自己的惊喜。斯坦哈特回忆说，他们互相争抢谁先走，最后他的朋友赢了。“他给我看了这张纸，我快速浏览了一下，看到了这个衍射图案。我从椅子上跳起来，走到桌前拿出我们计算出来的衍射图样，说:“看这个!”那是瞬间的识别。”

斯坦哈特立即发表了他的发现，并提出这可能是谢赫特曼发现的一种解释。这篇论文发表于1984年圣诞节前夕:现在谢赫特曼发现的东西有了数学上的支持和一个术语——准晶体。²

克服逆境

尽管从一开始就有谢赫特曼所说的“活动浪潮”，人们开始在这个领域工作，但“信徒的人数很少，不信徒的人数很多。”

利丁说:“我们应该对那些告诉谢赫特曼他错了的人宽容一点，因为他错的理由太多了。”“你真的需要仔细研究这个实验的细节，才能发现他真的仔细研究了每一个细节，没有找错对象。”

谢赫特曼认为，这种不情愿的另一个原因是他使用了一种相对较新的技术——电子衍射。他解释说:“晶体学领域是以x射线晶体学命名的，因为最可靠的数据来自x射线衍射。”“但如果你使用x射线衍射，那么你一定会得到某种大小的晶体。”To see the forbidden symmetry that Shechtman observed electron diffraction had to be used, because the crystals were too small for x-ray diffraction. That changed a couple of years later.

“1987年，我的一位同事能够生长出足够大的单晶(同样的铝合金)，足以进行x射线衍射，”x射线结果证实了谢赫特曼最初的观察结果。同年晚些时候，在澳大利亚珀斯举行的国际结晶学家联盟(IUCr)会议上，谢赫特曼展示了他的研究结果，“他们相信了我”。谢赫特曼的发现慢慢地被接受了，IUCr甚至改变了对晶体的定义，将其定义为“任何本质上具有离散衍射图的固体”。然而，有一个非常著名的人直到他临终的那一天都不同意谢赫特曼的观点——莱纳斯·鲍林。

谢赫特曼回忆说:“一开始我是一个人与世界对抗，最后鲍林是一个人与世界对抗。”Pauling was convinced that Shechtman‘s results could be explained by twinning or huge unit cells containing around 1120 atoms each.^3.“他当然错了，”谢赫特曼笑着说。但谢赫特曼并不怨恨鲍林:“他是20世纪最伟大的科学家之一。”

谢赫特曼甚至去了鲍林在美国的实验室，给鲍林做了一个小时关于他工作的演讲:“他坐在那里听着，最后他说‘丹尼，我不知道你是怎么做到的’。这意味着他不懂电子显微镜，他没有得到它。现在，如果是另一个人，我会告诉他们去读这本书，但是鲍林教授写了这本书。”Shechtman and Pauling continued to correspond by letter until Pauling‘s death in 1994, but Pauling never accepted the existence of quasicrystals.

一片欣欣向荣的土地

来自该领域工作人员的压倒性信息之一是，尽管准晶体在近30年前就被发现了，但人们仍然没有很好地理解它们。

准晶体是存在于自然界中还是只能在实验室中合成还有待讨论。斯坦哈特花了大约12年的时间试图解开这个谜题。斯坦哈特说:“经过大约八年的搜寻，我们发现了这块含有准晶体颗粒的岩石。必威体育 红利账户， 2009年7月，p4)。但这并不是故事的结局。“我们从地质学界得到了大量的反对意见，无论这些材料是否真的存在。”The last three years have been spent trying to prove that the rock is natural, and Steinhardt now thinks it originates from a meteorite. When he spoke to必威体育 红利账户他刚从第一个岩石样本的产地俄罗斯旅行回来。他补充说，我们发现了更多的岩石。“所以现在我们可以做更多的研究，更准确地确定准晶体的年龄。”

准晶体有一些特殊的性质，从导电性差到表面不粘，自1982年发现以来，准晶体群落已经在许多不同的方向上发展。德国斯图加特大学的汉斯-雷纳·特雷宾(Hans-Rainer Trebin)是早期接受谢赫特曼发现的研究人员之一。“1985年，我来到斯图加特，立即开始研究准晶体。”Trebin built up a research group and hasn‘t stopped studying the theory behind quasicrystals since. His group models quasicrystal structures - to improve our understanding of how they are made, and also how the structure relates to their physical properties.

与此同时，英国利物浦大学的罗南·麦格拉斯正在研究准晶体的表面。“我们的目标是观察这些材料如何在纳米尺度上与其他物种相互作用，这样我们就能更多地了解材料和材料的生长特性。”“特别是试图弄清楚是结构还是化学复杂性导致了准晶体的物理性质。

另一个令人感兴趣的领域是软物质系统——胶束或星形聚合物。以色列特拉维夫大学的罗恩·利夫希茨解释说:“在过去五年左右的时间里，许多这样的系统都被证明具有准周期性的相。”“即使在这一点上，这些软准晶体的形成也很明显不同于过渡金属准晶体的形成。”They are also, says Lifshitz, easier to treat theoretically and so there‘s already been a lot more success in understanding how and why soft quasicrystals form.

至于谢赫特曼，他仍然是他的工作所催生的广阔领域的重要组成部分。他的团队主要专注于二十面体相，使用显微镜来研究的结构和行为
晶格。

斯坦哈特总结道:“还有很多事情要做和理解，通过理解，我们将能够更好地控制准晶体的合成。”“那时候我认为你会看到应用的机会，当你可以用你想要的材料属性制造非常完美的准晶体时。”

终极荣誉

利丁说，诺贝尔化学奖通常颁发给具有实用性的东西。“我认为重要的是要有勇气和意志去奖励那些主要没有用处，但实际上能让我们了解我们所生活的世界的东西。”谢赫特曼的发现确实做到了这一点。

麦格拉斯说:“毫无疑问，他自己就配得上这个奖。”“他的名字已经被提起很多年了，我们以为他的机会已经没有了。”

谢赫特曼说，他对此没有意见。他说，我本可以平静地活着，平静地死去。但这是最终的认可。”