以色列诺贝尔奖系列（七）诺贝尔化学奖得主丹尼尔·谢赫特曼

准晶体翻开了晶体学新的一页，同时也在材料领域开拓了新的研究方向。2011年诺贝尔化学奖授予以色列科学家丹尼尔·谢赫特曼，以表彰他发现准晶体。可以说准晶体带来了材料化学、结构化学的革命。

一、以色列“准科学家”

以色列理论物理学家、显微领域专家丹尼尔·谢赫特曼（Danielle Shechtman）于1941年出生于特拉维夫，7岁那年，祖父送给他一份改变命运的礼物——放大镜，他用放大镜观察一切细小的食物，花朵的结构、昆虫的眼睛。10岁那年，谢赫特曼听说科学老师有一台显微镜，便几次央求带到教室里来。他终于得偿所愿，用显微镜观察了一片树叶样本，能看到叶绿素在里面流动，从此他便爱上了微观世界。

谢赫特曼于1966年获得以色列理工学院机械工程学士学位，随后又获得材料工程硕士学位（1968年）和博士学位（1972年）。从1972年到1975年，他在美国俄亥俄州赖特－帕特森空军基地航空航天研究实验室从事了3年钛铝化合物研究。从1977年起，他在以色列理工学院担任各种职务，最终于1984年成为教授。

作为以色列著名的材料科学的领军人物，谢赫特曼教授现担任以色列工学院工程材料系教授，以色列科学院院士、美国能源部埃姆斯实验室（Ames Laboratory）研究员、艾奥瓦州立大学材料科学教授，同时还担任我国汕头大学与以色列理工学院合办的广东以色列理工学院院长。谢赫特曼与海法大学咨询和人类发展系主任Tzipora Shechtman教授结婚，并撰写了两本关于心理治疗的书籍。他们有一个儿子和三个女儿。

二、准晶体的历史渊源

准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体，具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。1982年准晶体的发现给晶体学界带来了巨大的冲击，此后的数十年里，人们对准晶体的探索从未停止，2009年自然界发现准晶体化合物，时至今日，准晶体的原子排列组成与结构规律尚未被完全解析。

准晶体的结构在20世纪之前就已经被建筑师熟知，例如在伊朗伊斯法罕的清真寺，上面瓷砖的图案就是按照准晶样式排列的，这是准晶最早的溯源。

1961年，数学家王浩提出了用不同形状的拼图铺满平面的拼图问题。数学家们已经知道，可以用单一形状的拼图拼满一个平面。

1976年，Roger Penrose构造了一系列只需要两种拼图的方法，这种方法拼出来的图案具有五次对称性。

1984年，谢赫特曼发现了三维世界中的20面体准晶。这一准晶的拼图形式由两种不同的菱形组成。他们发现的这一五次对称性结构产生融化后快速冷却的AL—Mn合金中。

2009年，矿物学上的一个发现为准晶是否能在自然条件下形成提供了证据：俄罗斯的一块铝锌铜矿上发现了Al63Cu24Fe13组成的准晶颗粒。

三、谢赫特曼的准晶之缘

1982年4月8日，谢赫特曼在美国霍普金斯大学、美国国家标准与技术研究院工作时在快速冷卻的鋁錳合金中发现一种新形态的二十面体相（Icosahedral Phase）分子结构，开辟了研究准晶体(Quasiperiodic Crystals)的全新领域。他率先在实验室环境下发现准晶体“现象”，并在电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象，她发现其中的“晶体”物质存在10次对称轴。它的电子衍射照片在旋转36°后，才能使旋转前后的照片上的衍射斑点完全重合在一起。 1984年，另一个研究小组独立发现类似现象。

当1982年谢赫特曼将“准晶体”的发现公诸于世时，他面对的不是赞赏，而是来自主流科学界、权威人物的质疑甚至嘲笑。其中反对最为激烈的是两度获得诺贝尔奖的莱纳斯鲍林。鲍林曾在一场新闻发布会上说：“谢赫特曼在胡说。没有准晶体这种东西，只有准科学家。”

当时大多数人都认为“准晶体”违背科学界常识。晶体内的原子都以周期性不断重复的对称模式排列，这种重复结构是形成晶体所必须的，自然界中不可能存在具有谢赫特曼发现的那种原子排列方式的晶体。

由于没有人认同他的观点，谢赫特曼被迫离开了霍普金斯大学实验组，他又回到自己攻读学士、硕士和博士的母校以色列理工学院当教授。尽管当时准晶被大家质疑甚至被当做谬论。但谢赫特曼仍然坚持对准晶的不懈研究，继续与材料专家伊兰·布勒希（Ilan Brochy）一道从事非晶体研究并发表论文。经过一年多的研究，于1984年写出了一篇描述制作准晶体的具体方法论文，因为当时学术界仍不接纳准晶体这个概念，他们向知名物理期刊《应用物理学》投稿，立即遭到了退稿。

之后又转而求助当时著名的物理学家卡恩（John Cahn）去查看他的数据。卡恩看了他的数据，并且与法国CNRS冶金化学研究所著名晶体学家格雷希斯（Denis Gratias）商讨，看看舍特曼的实验是否遗漏了些什么。格雷希斯表示舍特曼的实验没有问题。格雷希斯等人在加州大学的一次理论物理讨论会中发现，他们关于二十面体理论模型的衍射花样与舍特曼等人的实验结果完全一致。之后，谢赫特曼的两篇文章被物理学最权威的《物理评论快报》发表，旋即在化学界引发轩然大波。

“我并不在意，我深信自己是对的，他们是错的。”为维护自己的发现，谢赫特曼在小仓库里一遍遍地重复实验。在谢赫特曼饱受质疑之时，来自世界其他国家和地区的科研成果也给了他有力的证实。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。1985年，我国著名科学家郭可信院士的科研团队，在过渡族金属合金中也独立地发现了第五次对称电子衍射图。郭可信的学生还先后发现了二维八次对称准晶和十二次对称准晶，并在国际上首次生长出毫米级的十次稳定准晶单晶。1987年，法国和日本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年首次发现天然“准晶体”，谢赫特曼的理论终于得到了科学界的认可。

四、从发现准晶体到获得诺奖历经30年

谢赫特曼的发现打破了人们对晶体的普遍认识。即使当时饱受学术界争议，但凭着他偏执的个性，继续坚持对准晶体的研究。30多年后，终于刷新了世界，获得了2011年诺贝尔化学奖，获得1000万瑞典克朗的奖金。自1986年起，谢赫特曼已经获得了物理、化学等领域共计10余个奖项。

他发现的准晶体具有的奇特结构推翻了晶体学已建立的概念，从根本上改变了化学家如何想象固体物质，这种新的结果因为缺少空间周期性而不是晶体，但又不像晶体，准晶展现了完美的长程有序，这个事实给晶体学界带来了巨大的冲击，它对长程有序与周期性等价的基本概念提出了挑战。

2011年10月5日，谢赫特曼在出席以色列理工学院举行的新闻发布会上称，获得的诺贝尔化学奖这一奖项不属于他自己，而属于所有在这一领域从事研究的学者。“现在，数以千计的科学家在我开辟的领域做研究，我确定，每个人都把这个奖项当作他们获得的成就，这是他们应得的，如果没有这些科学家，这项研究不会取得现在的成绩。”

在谈到当年所受的非议时，谢赫特曼如是说。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。美国化学协会主席纳西·杰克逊称“谢赫特曼的发现是科学界最伟大的发现之一，勇敢挑战了当时的权威体系。”

五、准晶体应用前景

准晶体是一个革命性的科学发现。准晶体的发现不仅改变了人们对固体物质结构的原有认识，由此带来的相关研究成果也广泛用于材料学、生物学等多种有助于人类生产、生活的领域。

由于原子排列不具周期性，准晶体材料硬度很高，低摩擦系数、低表明能、低传热性、不粘性、耐蚀耐热和耐磨等特点。准晶材料的主要作为表面改性材料、以及作为增强相弥散分布于结构材料中。

鉴于其“强化”特性，准晶体材料可应用于制造眼外科手术微细针头、刀刃等硬度较高的工具。此外，作为热和电的不良导体，准晶体可用于制作温差电材料，可把热能转换为电能；利用其表面不粘的特性，它可以用于制作煎锅表面涂层。另外，准晶体的潜在应用领域包括制作节能发光二极管和发动机绝热材料。

六、总结

谢赫特曼不仅是化学家，也是以色列科学教育的推动者。他曾与内塔尼亚胡总理谈论在大学层面为科学提供财政支持的重要性。他与同事共同发起并教授了一门关于创业的课程，每年吸引数百名学生，并将企业家引入讲座。 丹·谢赫特曼教授表示：“支撑我科学事业成功的秘密，除了努力之外还有我们犹太人的一种独特的未来领袖教育模式，接下来我会把经历全部奉献给这套教育事业，帮助更多领域诞生未来的诺贝尔奖得主。”