諾貝爾獎離我們有多遠(yuǎn)?

　　2011年諾貝爾化學(xué)獎10月5日在瑞典首都斯德哥爾摩揭曉，以色列科學(xué)家丹尼爾?舍特曼因發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶而獨(dú)獲此殊榮。諾貝爾獎評委會稱，“與此前人們認(rèn)為的原子在晶體內(nèi)呈對稱模式分布的理論不同，舍特曼揭示出原子在晶體內(nèi)的堆積形態(tài)可以不重復(fù)”。
　　
　　準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)與中國學(xué)者的貢獻(xiàn)
　　
　　人們早就發(fā)現(xiàn)，在自然界中，很多固體物質(zhì)都是以晶體的方式存在，它們在宏觀上表現(xiàn)出特定的對稱性。早在19世紀(jì)，德國科學(xué)家就總結(jié)并通過數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明，為了滿足晶體的平移對稱性，晶體只能出現(xiàn)n=1、2、3、4、6等五種旋轉(zhuǎn)對稱軸（相應(yīng)的轉(zhuǎn)角為2π/n），不可能出現(xiàn)n=5和n>6次的對稱軸，因為其中原子間的距離長短不一，這個樣式無法實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱。所以，早期晶體學(xué)家們都根深蒂固地認(rèn)為，五重或七重以上的對稱不符合自然規(guī)律。
　　然而，重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往是偶然的，有時候還需要運(yùn)氣，原始創(chuàng)新思想，不是靠智者們指南規(guī)劃出來，更不是靠金錢燒出來，它或許僅僅是平凡者的神來之筆。1982年，以色列理工學(xué)院的丹尼爾?舍特曼發(fā)現(xiàn)在他的電子顯微鏡下面，一個衍射圖案可以安然轉(zhuǎn)過圓周的1/10（也就是36度）依舊得到原來樣式，也就是說，發(fā)現(xiàn)了十重對稱！
　　無獨(dú)有偶，同一時期的數(shù)學(xué)家們已為此做好了理論鋪墊。英國人彭羅斯差不多同一時期便在前人工作基礎(chǔ)上提出了一種以兩種形狀的拼圖鋪滿平面的解決方案。而更令中國人引以自豪的是：“準(zhǔn)晶”這個詞的提出并不是丹尼爾?舍特曼，也不是數(shù)學(xué)家們，而是我國著名物理冶金學(xué)家、晶體學(xué)家，我國電子顯微學(xué)泰斗郭可信院士。
　　丹尼爾?舍特曼等人的文章是1984年11月12日刊登出來，幾乎是同時，郭可信院士和他的學(xué)生張澤（現(xiàn)為中科院院士、浙江大學(xué)材料系教授）在過渡族金屬合金中也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了五次對稱電子衍射圖，不過遺憾地與“第一名”擦肩而過。
　　早在20世紀(jì)80年代，郭可信與張澤就在用于噴氣發(fā)動機(jī)葉片的鎳基和鐵基高溫合金中加入強(qiáng)化元素所生成的合金相的研究中，發(fā)現(xiàn)了許多新的四面體密堆合金相，他們從中受到啟發(fā)，想到把合金相加熱到熔融再急冷可能會得到更小的二十面體原子簇。隨后，張澤于1984年11月首次在鈦-鎳-釩合金中發(fā)現(xiàn)五次對稱準(zhǔn)晶，開國內(nèi)準(zhǔn)晶研究之端。雖然遺憾的是他們發(fā)現(xiàn)丹尼爾?舍特曼教授等已于1984年11月12日發(fā)表了有關(guān)鋁-錳準(zhǔn)晶的文章，但是，在郭可信院士的領(lǐng)導(dǎo)下，他的學(xué)生還先后發(fā)現(xiàn)了二維八次對稱準(zhǔn)晶和十二次對稱準(zhǔn)晶，并在國際上首次生長出毫米級的十次穩(wěn)定準(zhǔn)晶單晶。郭院士與張院士等對于準(zhǔn)晶的研究和丹尼爾?舍特曼教授是同步進(jìn)行的，他們的發(fā)現(xiàn)是獨(dú)立的，并且是首次在過渡族金屬合金中合成的，雖然晚了一步，但法國人仍稱它為中國相（China Phase）。
　　張澤在鈦-鎳-釩合金中發(fā)現(xiàn)五次對稱準(zhǔn)晶后，在鈦-鎳-釩急冷合金中準(zhǔn)晶與晶體取向、結(jié)構(gòu)關(guān)系等方面進(jìn)行了創(chuàng)新性研究。在準(zhǔn)晶中的位錯、層錯等方面研究中有新的突破。他發(fā)現(xiàn)和確定了一維準(zhǔn)晶體和介于準(zhǔn)晶和晶體之間的一些過渡狀態(tài)。特別是，他在世界上首次發(fā)現(xiàn)了鋁銅鈷十次對稱準(zhǔn)晶中的位錯及層錯；首次用常規(guī)衍射襯度方法系統(tǒng)地研究了五次對稱準(zhǔn)晶的位錯；在世界上首次發(fā)現(xiàn)十次對稱準(zhǔn)晶中的“位錯”等缺陷，并在國際上率先開展了系統(tǒng)的觀察和研究。
　　
　　飽受爭議的準(zhǔn)晶學(xué)說
　　
　　由于五次對稱在傳統(tǒng)晶體學(xué)中是不允許的，因此準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)立即在與晶體學(xué)有關(guān)的各個學(xué)科如固體物理、固體化學(xué)、材料科學(xué)、礦物學(xué)界產(chǎn)生了很大的震動，同時圍繞著準(zhǔn)晶晶體學(xué)產(chǎn)生了一場持續(xù)不斷的爭論。首先，對準(zhǔn)晶是否存在持強(qiáng)烈否定觀點者是諾貝爾化學(xué)獎得主鮑林。他在1985年和1988年接連發(fā)表文章認(rèn)為準(zhǔn)晶學(xué)說是荒謬的，并論證了五重、十重、二十重孿晶的衍射也能產(chǎn)生出類似“準(zhǔn)晶”的衍射現(xiàn)象。對此，準(zhǔn)晶的擁護(hù)者1986年在《自然》周刊上寫了一組題為《鮑林的模型不被廣泛接受》的論文。在這場爭論中，郭可信的依據(jù)是：他們在鋯鎳合金中觀察到的五重孿晶的高分辨電子顯微結(jié)構(gòu)像存在著二維周期性特征，但在鈦鎳合金中觀察到的準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)像卻是非周期性的。以此為依據(jù)，他應(yīng)邀在1986年舉行的第11屆國際電子顯微學(xué)會議上作了題為“準(zhǔn)晶還是五重孿晶”的報告，有力地支持了準(zhǔn)晶學(xué)說。
　　準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了20世紀(jì)80年代全球性的準(zhǔn)晶熱，中日美成為引領(lǐng)準(zhǔn)晶研究的3駕馬車，各種準(zhǔn)晶材料和結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，也有不少研究者“頓足捶胸”：這不是自己多少年前就發(fā)現(xiàn)但是卻放棄的東西嗎？正是因為丹尼爾?舍特曼教授和其他的準(zhǔn)晶擁護(hù)者不迷信權(quán)威，憑借敢于創(chuàng)新的精神，開創(chuàng)了準(zhǔn)晶的時代。創(chuàng)新需要勇氣，需要對權(quán)威的懷疑，需要通過實驗證明自己的正確，也許到那時就是你把權(quán)威拉下神壇的時候。
　　
　　準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用前景
　　
　　準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)至今已有20多年，準(zhǔn)晶體這種介于晶體和非晶體之間的固體，具有完全有序的結(jié)構(gòu)，然而又不具有晶體所應(yīng)有的平移對稱性，因而具備了晶體所不允許的宏觀對稱性。準(zhǔn)晶的奇特結(jié)構(gòu)，完善了晶體學(xué)已建立的概念，也改變了人們對固體物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原有認(rèn)識，由此帶來的相關(guān)研究成果也廣泛應(yīng)用于材料學(xué)、生物學(xué)等多種有助于人類生產(chǎn)、生活的領(lǐng)域。
　　目前，準(zhǔn)晶材料的應(yīng)用主要作為表面改性材料，以及作為增強(qiáng)相彌散分布于結(jié)構(gòu)材料中。在實際生活中，準(zhǔn)晶體早已被開發(fā)為有用的材料。也許很多人會覺得驚訝，我們周圍有準(zhǔn)晶材料嗎？是的，看看你家的廚房吧，像我們最常見的不粘鍋炊具，因為準(zhǔn)晶材料具有耐蝕耐磨等特點，用于不粘鍋表面更抗腐。
　　而在隔熱性能方面，相比泡沫、纖維、金、銀、鎳、鋁箔等傳統(tǒng)隔熱材料，準(zhǔn)晶體具有密度小、耐蝕和耐氧化的優(yōu)點，在航空和汽車工業(yè)的發(fā)動機(jī)等部件中，有非常大的應(yīng)用價值。以前，航空航天工業(yè)中，飛機(jī)座艙和駕駛艙內(nèi)常用泡沫塑料、超細(xì)玻璃棉、高硅氧棉等材料，而現(xiàn)在，科學(xué)家們正研究用準(zhǔn)晶材料來替代這些傳統(tǒng)材料。
　　準(zhǔn)晶體還被用作太陽能工業(yè)薄膜材料。因為準(zhǔn)晶體具有特殊的光學(xué)性能（高的紅外傳導(dǎo)率）和足夠的熱穩(wěn)定性（抗氧化及擴(kuò)散穩(wěn)定性），可應(yīng)用于太陽熱能工業(yè)。此外，準(zhǔn)晶體材料還可以作為結(jié)構(gòu)材料增強(qiáng)相的應(yīng)用、儲氫材料、半導(dǎo)體材料以及熱致發(fā)電材料等。目前各國化學(xué)家也正在研究準(zhǔn)晶體材料在真空鍍膜、離子注入、激光處理、電子轟擊、電鍍等方法制備準(zhǔn)晶膜的應(yīng)用。我國在準(zhǔn)晶的基礎(chǔ)研究方面，也走在世界前列，尤其是在準(zhǔn)晶增強(qiáng)基復(fù)合材料的研究、準(zhǔn)晶粉末的制備在全世界也具有優(yōu)勢。
　　
　　諾貝爾獎離我們有多遠(yuǎn)？
　　
　　如今，準(zhǔn)晶在多個研究領(lǐng)域的重要性已被公認(rèn)，隨著科學(xué)的發(fā)展，它的應(yīng)用也越來越廣泛。今年的諾貝爾化學(xué)獎更是對丹尼爾?舍特曼教授當(dāng)年面對學(xué)術(shù)界的一片質(zhì)疑，依舊不放棄準(zhǔn)晶研究的肯定，也是對像郭院士、張院士這樣對準(zhǔn)晶的發(fā)展作出突出貢獻(xiàn)的研究者的肯定。雖然他們未被授予諾貝爾獎，但他們已將自己的名字、自己的成果刻在了人類科學(xué)發(fā)展的歷史上，他們的努力不會被磨滅。
　　遺憾的是，郭可信院士幾年前去世了，但是，他為科學(xué)界留下了豐厚的遺產(chǎn)。準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)造了中國科學(xué)的一個奇跡，被認(rèn)為是真正達(dá)到國際水平的一項研究，這個項目的研究不僅培養(yǎng)了一大批青年科學(xué)家，還“培養(yǎng)”了四位中國科學(xué)院院士：葉恒強(qiáng)、李方華、張殿林以及張澤。
　　每年的諾貝爾評獎，都成為中國人的一個期待。而今年，郭院士和他的學(xué)術(shù)團(tuán)隊更讓我們看到了希望，諾獎離我們真的不遠(yuǎn)！也許我們身邊還沒有諾貝爾獎得主，但是我們有這些“準(zhǔn)諾貝爾獎”得主，他們正用自己嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，不放棄的科研信念，用他們的競爭意識、創(chuàng)造力、執(zhí)著，以及自信、耐心和懷疑精神，帶領(lǐng)著我國的科技力量不斷發(fā)展，不斷進(jìn)步。也許正如諾貝爾獎得主伊瓦爾?賈埃弗所說的，中國人缺的只是一點運(yùn)氣，現(xiàn)在沒有諾獎沒什么，它遲早會來！如果以后還有人感嘆諾貝爾獎離中國有多遠(yuǎn)，那么我們可以自豪的回答：不遠(yuǎn)，也許就是明年！
　　【責(zé)任編輯】龐云