说起2011年诺贝尔化学奖,大多数人都知道得主是发现准晶的以色列学者谢赫特曼。这段打破百年认知的科研故事被说了无数次,可很少有人知道,几乎同个时间段,咱们中国科学家也独立摸到了这个诺奖级成果的门。这件事在国内知道的人真不多,说起来,还得从半个多世纪前一位老科学家的一次意外观察说起。
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长久以来,科学界公认固体就两种,要么是原子排列规整有序的晶体,要么是杂乱无章的非晶体。传统晶体学直接把五次对称判了“不可能”,说这种结构绝对不存在于固体中。1982年谢赫特曼发现了个“异类”,它既不是晶体,也不是完全无序,还带着被禁止的五次旋转对称,直接给整个传统晶体学整破防了。这个发现争议了快三十年,谢赫特曼才拿到诺奖,这段故事不少人都听过。
可真没多少人知道,几乎同个时候,郭可信带着一群中国年轻人,走了完全不同的研究路径,也独立发现了准晶。虽然发表时间比对方晚了几个月,但这份成果直接把中国电子显微学抬到了世界第一梯队,能和美国日本平起平坐。这事的伏笔,早在1953年就埋下了,那年30岁的郭可信还在瑞典研究合金结构,就反复碰到了一个没法解释的现象。样品里总能看到大量扭曲的二十面体原子团,正二十面体自带五次旋转轴,和课本上的结论完全对不上。
年轻的郭可信当时没法推翻整个学界的定论,就默默把这个反常现象记在了心里。他自己也想不到,这一存就是三十年,这份不起眼的积累,后来成了中国准晶研究的先发优势。1956年,郭可信看到“向科学进军”的号召,二话不说就收拾行李回了国。到沈阳金属所安顿下来,他就一头扎进透射电镜显微结构研究,翻译了大量国外前沿文献,给国内培养出了第一批电子显微学的核心人才。
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改革开放之后,郭可信想办法把组里的年轻人挨个送到国际一流实验室学习涨本事。1982年前后,这批学了真功夫的年轻人陆续回国,给国内研究带来了最前沿的技术思路。郭可信当时还立了军令状,申请引进当时最先进的JEM200CX高分辨电镜,跟所里保证三年内一定出重要成果。这台电镜到位之后几乎连轴转,成了后来发现准晶最关键的武器。
1983年,郭可信团队在镍基和铁基高温合金中,发现了一批新的四面体密堆相,每个相里都带着二十面体原子单元。没过多久,研究生王大能拍到了一张完全反常的电子衍射图,正常的周期性点列之外,周围居然有十个斑点正好排成五次旋转对称。郭可信看到这张图瞬间有了大胆猜想,要是把合金熔融之后快速急冷,能不能得到以二十面体原子团为单元,独立有序堆砌的全新结构?
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这个实验任务交到了研究生张泽手上,由他负责Ti-Ni系列合金的相关测试。1984年底,张泽终于拿到了所有人盼了很久的五次对称电子衍射图,整个团队都沸腾了。之后他又赶到上海做倾转实验,陆续拿到了三次、二次对称的衍射图,所有数据都和二十面体对称完全吻合。完整的实验证据链彻底闭环,这也是全世界第一次在过渡族金属合金中观察到准晶。
就在整个团队准备整理成果发表的时候,郭可信得到了一个消息,谢赫特曼已经在几个月前率先发表了准晶的研究成果。中国团队全程独立研究,只晚了短短几个月,这份成果还是得到了国际学界的一致认可。谢赫特曼的合作者甚至把Ti-V-Ni准晶叫作“中国相”,这是中国科学家的发现第一次稳稳占据了国际晶体学的前沿位置。
1988年,郭可信团队凭借“五次对称性及Ti-Ni准晶相的发现与研究”,拿到了1987年度的国家自然科学奖一等奖,这可是咱们国家自然科学领域的最高荣誉。拿奖之后团队没有躺平,接着在准晶领域深耕,先后发现了八次、十二次对称准晶还有一维准晶,一点点把准晶的研究版图越拓越大。1985年到1995年这十年间,中国准晶研究的论文数量稳居全球前三,和美国日本并称领域三驾马车,实在太给咱们长脸。
郭可信这一辈子,最珍视的从来不是论文也不是奖项,而是自己带出来的学生。他前前后后一共带出了119名研究生,叶恒强、张泽、万立骏等人后来都成长为相关领域的领军人物。2006年郭可信病重的时候,心里还挂着几个没毕业的学生,亲手写了信委托其他学者帮忙指导,这也是他生前写的最后一封信。同年12月13日,郭可信病逝,享年83岁。
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他自己总结这一生,说青年时单枪匹马冲锋在合金结构研究的第一线,60岁又重整旗鼓,领着一群年轻人占领了准晶研究的制高点。从一个人悄悄记下反常现象,到一群人联手闯出来一条新路,这群老一辈科研人硬生生把中国准晶研究推到了世界前沿的位置。2026年国家自然科学奖就要迎来七十周年,回头翻这段档案才明白,哪有什么从天而降的突破,不过是一代又一代人攒着一口气,一步一步踩出来的上坡路。
参考资料:中国科学报社 七秩荣光——档案里的国家自然科学奖
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