化学奖：改变了教科书的发现

( 10月5日，获得诺贝尔化学奖的以色列科学家丹尼尔·谢特曼（左）与妻子、外孙出席在以色列理工大学举行的新闻发布会 )

以色列科学家丹尼尔·谢特曼（Dan Shechtman）获得了今年的诺贝尔化学奖，因为发现了准晶体。这种晶体里原子以一种清晰可辨的结构排列，但却并不重复。

近年来，诺奖一般都由2～3位在某个领域做出杰出贡献的科学家共享，但是今年的化学奖只颁给了他一个人。

谢特曼今年70岁，是一位材料科学家，在海法以色列理工学院任教，同时也是美国爱荷华州立大学的教授以及美国能源部埃姆斯实验室助理。

诺贝尔化学奖评审委员会的颁奖词很简单，发奖给他是因为他“发现了准晶体”。在斯德哥尔摩的宣布会上，瑞典皇家科学院的Sven Lidin描述了准晶体中原子的排列：“它被完美地排列着，无限但不重复。”很久以前，在数学家的拼图中就发现了这种结构，中世纪的穆斯林艺术家用这种不重复的马赛克结构来做装饰，但是这种现象在原子中是被认为不可能存在的。

谢特曼在镁铝混合物中发现了这种“不可能存在”的结构。在位于马里兰州的美国国家标准局（现美国国家标准技术研究所）休假研究时，谢特曼用电子显微镜检查快速冷却的铝锰合金，发现在原子并非是随意排列的。这让他大吃一惊，他原以为原子会随意无序，就像玻璃。

约200年来，物理学家一直认为固态物质可分为晶态和非晶态（玻璃态）两大类。科学家当时认为，所有的晶体都包含重复的模式。比如，一个四方晶格有四重对称，90度旋转后，看起来原来是一样的。而五度旋转对称的晶体结构，是不可能存在的，正如人们不能用正五边形铺满整个浴室地板而不留间隙，晶体也不能用具有5次旋转对称轴的正多面体不留间隙地铺满三维空间。

但是在1982年4月8日的上午，谢特曼发现铝锰合金以一种十度旋转对称的结构存在。这让他难以置信，他在笔记本上写道：“十度对称？？？”

四方晶格并不能产生这样的结构，而准晶体可以。

谢特曼花了很多年时间来说服其他人。他的一个同事最初曾说“滚吧，丹尼”，这个人认为，一个很简单的解释就能说明谢特曼的观察结果。很多科学家，比如大名鼎鼎的化学巨匠、诺奖得主鲍林（Linus Pauling）公开说，谢特曼在胡言乱语，根本没有什么准晶体，只有“准科学家”。他的数据可以被解释为“孪生”，就是两个普通的晶体从某个角度融凝在一起。为此鲍林还于1985年10月在英国的《自然》杂志上详细发表了他的计算结果。然而，1986年1月《自然》杂志又一连发表了4篇反驳来信，说鲍林的模型没有被普遍接受。

谢特曼在接受采访时曾说：“当时，所有人都嘲笑我，但我深信自己是对的，他们是错的。”他的经历让他觉得，“一位好的科学家，是谦逊和乐意倾听的科学家，而不是100%相信他所阅读的教科书”。诺贝尔化学奖评选委员会也对全世界科学家们发出了警告：“即使最伟大的科学家也会陷于传统藩篱的桎梏中，保持开放的头脑、敢于质疑现有认知是科学家最重要的品质。”

“当他第一次发现这些材料时，没有人认为它会存在。这是一个很好的科学故事，他的同行们认为这不可能，但时间验证了他是正确的。”美国化学协会主席南希·杰克逊（Nancy B. Jackson）说。

谢特曼在爱荷华州立大学的同事帕特里夏·蒂尔（Patricia A. Thiel）说：“这是一个科学革命。他的发现改变了我们对原子如何在固体中安置自己的认识。”

晶体的定义被改写。以前晶体被简洁地定义为整齐排列、不断重复的三维模式。在新的定义中，晶体是一种衍射图谱呈现明确图案的固体。

从此，世人打开了一扇发现更多晶体的大门。准晶体被在很多材料中发现，包括从俄罗斯河里发现的纯天然准晶体。材料科学家探索准晶体因为它具有截然不同的特性——坚硬、易碎、光滑，并且和大多数金属不同，它们是电的不良导体。准晶体已经影响了世界，可用来制造不粘锅、发光二极管、热电转化设备等。■

（文 / 曹玲） 晶体科学改变化学奖特曼教科书发现