诺贝尔奖离我们有多远?

2011年诺贝尔化学奖10月5日在瑞典首都斯德哥尔摩揭晓，以色列科学家丹尼尔•舍特曼因发现了准晶而独获此殊荣。诺贝尔奖评委会称，“与此前人们认为的原子在晶体内呈对称模式分布的理论不同，舍特曼揭示出原子在晶体内的堆积形态可以不重复”。

准晶的发现与中国学者的贡献

人们早就发现，在自然界中，很多固体物质都是以晶体的方式存在，它们在宏观上表现出特定的对称性。早在19世纪，德国科学家就总结并通过数学严格证明，为了满足晶体的平移对称性，晶体只能出现n=1、2、3、4、6等五种旋转对称轴（相应的转角为2π/n），不可能出现n=5和n>6次的对称轴，因为其中原子间的距离长短不一，这个样式无法实现旋转对称。所以，早期晶体学家们都根深蒂固地认为，五重或七重以上的对称不符合自然规律。

然而，重大的科学发现往往是偶然的，有时候还需要运气，原始创新思想，不是靠智者们指南规划出来，更不是靠金钱烧出来，它或许仅仅是平凡者的神来之笔。1982年，以色列理工学院的丹尼尔•舍特曼发现在他的电子显微镜下面，一个衍射图案可以安然转过圆周的1/10（也就是36度）依旧得到原来样式，也就是说，发现了十重对称！

无独有偶，同一时期的数学家们已为此做好了理论铺垫。英国人彭罗斯差不多同一时期便在前人工作基础上提出了一种以两种形状的拼图铺满平面的解决方案。而更令中国人引以自豪的是：“准晶”这个词的提出并不是丹尼尔•舍特曼，也不是数学家们，而是我国著名物理冶金学家、晶体学家，我国电子显微学泰斗郭可信院士。

丹尼尔•舍特曼等人的文章是1984年11月12日刊登出来，几乎是同时，郭可信院士和他的学生张泽（现为中科院院士、浙江大学材料系教授）在过渡族金属合金中也独立地发现了五次对称电子衍射图，不过遗憾地与“第一名”擦肩而过。

早在20世纪80年代，郭可信与张泽就在用于喷气发动机叶片的镍基和铁基高温合金中加入强化元素所生成的合金相的研究中，发现了许多新的四面体密堆合金相，他们从中受到启发，想到把合金相加热到熔融再急冷可能会得到更小的二十面体原子簇。随后，张泽于1984年11月首次在钛-镍-钒合金中发现五次对称准晶，开国内准晶研究之端。虽然遗憾的是他们发现丹尼尔•舍特曼教授等已于1984年11月12日发表了有关铝-锰准晶的文章，但是，在郭可信院士的领导下，他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。郭院士与张院士等对于准晶的研究和丹尼尔•舍特曼教授是同步进行的，他们的发现是独立的，并且是首次在过渡族金属合金中合成的，虽然晚了一步，但法国人仍称它为中国相（China Phase）。

张泽在钛-镍-钒合金中发现五次对称准晶后，在钛-镍-钒急冷合金中准晶与晶体取向、结构关系等方面进行了创新性研究。在准晶中的位错、层错等方面研究中有新的突破。他发现和确定了一维准晶体和介于准晶和晶体之间的一些过渡状态。特别是，他在世界上首次发现了铝铜钴十次对称准晶中的位错及层错；首次用常规衍射衬度方法系统地研究了五次对称准晶的位错；在世界上首次发现十次对称准晶中的“位错”等缺陷，并在国际上率先开展了系统的观察和研究。

饱受争议的准晶学说

由于五次对称在传统晶体学中是不允许的，因此准晶的发现立即在与晶体学有关的各个学科如固体物理、固体化学、材料科学、矿物学界产生了很大的震动，同时围绕着准晶晶体学产生了一场持续不断的争论。首先，对准晶是否存在持强烈否定观点者是诺贝尔化学奖得主鲍林。他在1985年和1988年接连发表文章认为准晶学说是荒谬的，并论证了五重、十重、二十重孪晶的衍射也能产生出类似“准晶”的衍射现象。对此，准晶的拥护者1986年在《自然》周刊上写了一组题为《鲍林的模型不被广泛接受》的论文。在这场争论中，郭可信的依据是：他们在锆镍合金中观察到的五重孪晶的高分辨电子显微结构像存在着二维周期性特征，但在钛镍合金中观察到的准晶的结构像却是非周期性的。以此为依据，他应邀在1986年举行的第11届国际电子显微学会议上作了题为“准晶还是五重孪晶”的报告，有力地支持了准晶学说。

准晶的发现引发了20世纪80年代全球性的准晶热，中日美成为引领准晶研究的3驾马车，各种准晶材料和结构被发现。当然，也有不少研究者“顿足捶胸”：这不是自己多少年前就发现但是却放弃的东西吗？正是因为丹尼尔•舍特曼教授和其他的准晶拥护者不迷信权威，凭借敢于创新的精神，开创了准晶的时代。创新需要勇气，需要对权威的怀疑，需要通过实验证明自己的正确，也许到那时就是你把权威拉下神坛的时候。

准晶材料的应用前景

准晶的发现至今已有20多年，准晶体这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的平移对称性，因而具备了晶体所不允许的宏观对称性。准晶的奇特结构，完善了晶体学已建立的概念，也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应用于材料学、生物学等多种有助于人类生产、生活的领域。

目前，准晶材料的应用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。在实际生活中，准晶体早已被开发为有用的材料。也许很多人会觉得惊讶，我们周围有准晶材料吗？是的，看看你家的厨房吧，像我们最常见的不粘锅炊具，因为准晶材料具有耐蚀耐磨等特点，用于不粘锅表面更抗腐。

而在隔热性能方面，相比泡沫、纤维、金、银、镍、铝箔等传统隔热材料，准晶体具有密度小、耐蚀和耐氧化的优点，在航空和汽车工业的发动机等部件中，有非常大的应用价值。以前，航空航天工业中，飞机座舱和驾驶舱内常用泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉等材料，而现在，科学家们正研究用准晶材料来替代这些传统材料。

准晶体还被用作太阳能工业薄膜材料。因为准晶体具有特殊的光学性能（高的红外传导率）和足够的热稳定性（抗氧化及扩散稳定性），可应用于太阳热能工业。此外，准晶体材料还可以作为结构材料增强相的应用、储氢材料、半导体材料以及热致发电材料等。目前各国化学家也正在研究准晶体材料在真空镀膜、离子注入、激光处理、电子轰击、电镀等方法制备准晶膜的应用。我国在准晶的基础研究方面，也走在世界前列，尤其是在准晶增强基复合材料的研究、准晶粉末的制备在全世界也具有优势。

诺贝尔奖离我们有多远？

如今，准晶在多个研究领域的重要性已被公认，随着科学的发展，它的应用也越来越广泛。今年的诺贝尔化学奖更是对丹尼尔•舍特曼教授当年面对学术界的一片质疑，依旧不放弃准晶研究的肯定，也是对像郭院士、张院士这样对准晶的发展作出突出贡献的研究者的肯定。虽然他们未被授予诺贝尔奖，但他们已将自己的名字、自己的成果刻在了人类科学发展的历史上，他们的努力不会被磨灭。

遗憾的是，郭可信院士几年前去世了，但是，他为科学界留下了丰厚的遗产。准晶的发现，创造了中国科学的一个奇迹，被认为是真正达到国际水平的一项研究，这个项目的研究不仅培养了一大批青年科学家，还“培养”了四位中国科学院院士：叶恒强、李方华、张殿林以及张泽。

每年的诺贝尔评奖，都成为中国人的一个期待。而今年，郭院士和他的学术团队更让我们看到了希望，诺奖离我们真的不远！也许我们身边还没有诺贝尔奖得主，但是我们有这些“准诺贝尔奖”得主，他们正用自己严谨的科研态度，不放弃的科研信念，用他们的竞争意识、创造力、执着，以及自信、耐心和怀疑精神，带领着我国的科技力量不断发展，不断进步。也许正如诺贝尔奖得主伊瓦尔•贾埃弗所说的，中国人缺的只是一点运气，现在没有诺奖没什么，它迟早会来！如果以后还有人感叹诺贝尔奖离中国有多远，那么我们可以自豪的回答：不远，也许就是明年！