准晶体“改写”了教科书

苏云

1945年7月16日，人类历史翻开了令人不安的新篇章——这一天，美国在新墨西哥州的一个沙漠试验场引爆了第一颗原子弹，这意味着人类掌握了迄今为止威力最大的武器，具有了快速摧毁一个城市乃至一个国家的能力。不过，在这场大型爆炸背后，还诞生了一种不起眼的新材料，那时人们还不知道，这种新材料会给我们的生活带来巨大的改变。

“准科学家”发现“准晶体”

出生于以色列的达尼埃尔·谢赫特曼从小就很喜欢科学。7岁时，谢赫特曼收到了祖父送的生日礼物——放大镜，从此，他热衷于拿着放大镜观察一切细小的事物，并开始了探索微观世界的一生。长大后，谢赫特曼在以色列理工学院一直从本科读到博士，博士毕业后，他在美国约翰·霍普金斯大学做研究。1982年，年仅41岁的谢赫特曼已经成为美国科学界瞩目的年轻有为的材料学家。可是，谢赫特曼没想到，一个新的发现让他退步成了“准科学家”。

1982年4月的一天，谢赫特曼在实验室用电子显微镜观察一种铝锰合金时，发现了一种具备“五重旋转对称”属性的晶体。在这之前，学界普遍认为，所有晶体都是以“规律重复的周期性”结构存在的，而根据晶体学原理，周期结构只有一、二、三、四、六重对称性，因此五重旋转对称的晶体不应该也不可能存在。

达尼埃尔·谢赫特曼与他的准晶体模型

谢赫特曼对自己的发现大感惊异，并将这种物质取名为“准晶体”。可是，当他将自己的发现告知其他同事时，他们并不相信他，实验室主管甚至扔给他一本晶体学教材，要求他再重新学习基础课程。两次获得诺贝尔奖的美国化学家莱纳斯·鲍林不相信准晶体的存在，并嘲讽谢赫特曼为准科学家：“世界上没有准晶体，只有准科学家。”更糟糕的是，由于谢赫特曼不放弃对准晶体的研究，他最终被约翰·霍普金斯大学解雇了。

传统晶体学理论中，正五边形原子无法形成晶体。

鋁锰合金原子排列图

即便如此，谢赫特曼仍然坚持自己的发现，他将自己的研究成果发表在一些期刊上，向科学界描述了制造准晶体的方法，一些国家的研究人员陆续在实验室中以谢赫特曼描述的方法制造出不同物质的准晶体，有些研究人员还开发出了新的制造方法。1987年，法国和日本的科学家制出足够大的准晶体，可以经由X射线和电子显微镜直接观察到这种晶体。2009年，科学家们在俄罗斯东部的河流中发现了天然准晶体矿物。至此，谢赫特曼的理论才得到科学界的认可。

准晶体的特性

准晶体，顾名思义是一种介于晶体和非晶体之间的固体结构。它之所以如此奇特，是因为它具有与晶体不同的原子排列方式。

普通晶体具有的是二次、三次、四次或六次旋转对称性，也就是说，在原子或电子旋转180°、120°、90°或60°后，能与旋转前的状态完全重合在一起。但是准晶体具有其他的对称性，例如五次对称性或者十次对称性。比如，谢赫特曼发现的准晶体，就具有十次对称性，电子衍射照片在旋转36°（十分之一周）后，才能使旋转前后的照片上的衍射斑点完全重合在一起。

科学家过去认为，晶体不可能具有五次对称性或者十次对称性，因为这是一种能量不稳定的状态。就像铺瓷砖，瓷砖的中心点的角度之和等于360°，人们有许多种铺陈的方式，比如六个等边三角形、四个正方形，甚至可能是三个正六边形。然而，用正五边形瓷砖平铺却不太容易，正五边形的每个内角为108°，用三个五边形会铺不满，四个五边形会出现重叠。同样的原因，八边形、十边形和十二边形具有相同的麻烦，而晶体的结构也遵循这样的规律——因此一开始，科学家不敢相信谢赫特曼的发现，直到事实证明了准晶体的存在。

在制造准晶体的过程中，科学家发现，在适当的高温和高压的作用下，原子可以变形以填充按照正五边形或正十边形结构平铺时剩余的间隙，这样准晶体就诞生了。

核爆与准晶体

现在，我们已经知道，准晶体的诞生需要极端的条件，因此自然界中天然的准晶体非常少，以至于人们在确定晶体的定义后很久才发现了准晶体。但是，在准晶体发现之前，人们就已经制造出它了——最近，意大利佛罗伦萨大学的地质学家卢卡·宾迪领导的研究团队首先找到了最早的人造准晶体。

宾迪认为，核爆炸的冲击波可能可以制造准晶体，因此他带领团队在新墨西哥州阿拉莫戈多试验场附近的沙漠中寻找准晶体。尽管准晶体并不常见，但现在科学家已经看到过足够多样本，知道它们往往含有金属元素，因此该团队主要在含有铜的三硝石矿石中寻找准晶体。利用扫描电子显微镜和X射线衍射等技术，他们分析了6个三硝石样品，最后，他们在其中一个样品中有所收获——由硅、铜、钙和铁组成的微小的二十面晶粒，具有在传统晶体中不可能有的五次旋转对称性，也即准晶体的独有特征。

1945年7月16日，美军在新墨西哥州沙漠中进行了世界上第一次核弹试验，在几分之一秒内，核爆释放了相当于2.1万吨TNT炸药爆炸产生的能量。爆炸烧毁了30米高的铜制试验塔和穿插其间的铜制电线，铜丝与地表的沥青和沙子融合成三硝石。在这个过程中，核爆提供的极端冲击、超高温度和超强压力使部分三硝石晶体变成了准晶体。于是，世界上最早的人造准晶体诞生了。

因为准晶体的独特结构，它具有一些独一无二的功能。准晶体的强度特别大，表面基本没有摩擦力，不易与其他物质发生反应，不易被氧化而生锈。目前，准晶体作为特种材料开始应用于航空航天、军事、医学等领域，用于制造牢固的仪器和武器的部件。此外，尽管其导热性很差，但因为其能将热转化为电，因此，它们可以用作理想的热电材料，将热量回收利用，有些科学家正在尝试用其捕捉汽车废弃的热量并转换为电能。在日常生活中，准晶体最常见的应用则是作为不粘锅的表面涂层。

而现在，准晶体有了新的用途。目前，没有人知道核爆炸是如何塑造准晶体的，但总有一天，科学家会弄清楚这一点，然后就可以利用这些知识来全面地理解核爆炸的过程。另外，这个发现还可以用于遏制核军备的扩散，如果我们在某地发现了与此相似的准晶体，就可以确定此处曾进行核爆炸，还可以推测当地核武器的当量和数量等信息。过去，人们通常采用分析放射性尘埃和气体，以了解武器的构造、当量等信息，但是这些特征会因衰变而发生改变或消失。而准晶体却不会消失，它能提供更加准确的核爆炸信息。

如果没有善于发现问题且勇于坚持真理的谢赫特曼，也许人们至今还没发现“准晶体”的秘密，因此，2011年，谢赫特曼获得诺贝尔化学奖可谓实至名归。这也启示我们，无论何时都不要迷信权威，也许未来，改写教科书的人就是你。