材料科学领域惊心动魄的故事:勇敢者追逐的准晶体

材料科学领域惊心动魄的故事:勇敢者追逐的准晶体
2019年06月02日 10:37 新浪科技

  文章来源: Nature自然科研

  原文作者:Sharon Glotzer

  这是材料科学领域一段引人入胜而又惊心动魄的故事,Sharon Glotzer乐享其中。

  想象这样一幅画面。俄罗斯远东,一群各怀心思的人与时间展开了一场分秒必争的赛跑,企图解开一个隐藏了几十亿年的秘密。因为这个秘密,一块尘封在意大利博物馆地下室内的岩石可能从此与太阳系的演化发生了关系。为了解开这个秘密,一名杰出的理论物理学家需要打破种种不可能,他要面对的有克里姆林宫特工、一个消失的包裹、秘密日记,还要艰难跋涉,登上一座火山半岛。

一个准晶体结构模型。

  来源: Alison Forner/The Second Kind of Impossible, Simon and Schuster  一个准晶体结构模型。   来源: Alison Forner/The Second Kind of Impossible, Simon and Schuster

  这不是什么好莱坞大片,而是在现实世界里上演的一场无畏的科学探索之旅。在《第二种不可能》一书中,理论物理学家Paul Steinhardt讲述了自己寻找天然准晶体的一段动人心魄的经历(准晶体是一种具有晶体所不具备的原子排列形式的物质形式)。这本书既有严谨清晰的科学实录,也记录了跌宕起伏的冒险奇遇:发现、失望、兴奋与坚持,全部交织在一起。

  在晶体中,原子按照一定规则重复排列。在准晶体中,原子排列仍然是有序的,但却不具有周期性,即不重复。这一特点导致准晶体具有特殊的旋转对称性(譬如说,它们与正方晶格不一样,后者具有四次旋转对称性)。20世纪80年代,准晶体首次被发现。但是曾经有一段时间,除了物理学家,科学界内的许多人都不接受有关准晶体的解读。毕竟,准晶体推翻了将近200年的关于物质结构的科学认知。法国牧师René-Just Haüy在其1801年的《矿物学论》(Treatise of Mineralogy)中指出,固体包含微观组成,因此所有元素和混合物,从蔗糖到蓝宝石,都能以晶体形式存在,至少在理论上如此。尽管原子排列形式有成千上万种可能,但是描述晶体的规则很简单:晶体只具有二次、三次、四次或六次旋转对称性。最终,准晶体的发现打破了这一规则。

  Steinhardt的故事要从1985年加州帕萨迪纳市说起。当时,他在宾夕法尼亚大学任教。有一次,他回到自己的本科母校加州理工学院发表演讲,并向曾教过他的教授、物理学家理查德·费曼解释了自己与博士生Dov Levine共同想出的一个理论。根据这个理论的预测,可能存在准晶体——具有技术上可行但极其不可能的对称性:“第二种可能”。

  禁忌结构

  从20世纪70年代后期起,Steinhardt就一直猜想具有五次旋转对称性的“禁忌”晶体或许是可能的——如果通过急冷凝固将原子排列为二十面体。他和Levine一开始采用泡沫塑料球和烟斗通条做实验,之后用纸张模型做实验。他们依靠的是彭罗斯拼图(Penrose tilings)——由两种形状组合产生的非重复性图案,类似于经典的伊斯兰清真寺上的瓷砖图案。他们发现,在一个彭罗斯拼图上画上平行线后,可以证明这些拼图以准周期形式排列,产生五次旋转对称性。这正是他们所需要的突破。拓展至三维空间后便产生了Steinhardt长期猜想的二十面体准晶体。

Paul Steinhardt手持一个准晶体模型。

  来源: 普林斯顿大学董事会Paul Steinhardt手持一个准晶体模型。   来源: 普林斯顿大学董事会

  他们当时不知道的是,在几百公里之外,另一位材料科学家已经通过铝锰合金的急冷凝固,获得了一种前所未见的衍射图。这位科学家便是Dan Shechtman,他当时就职于美国国家标准局(现为美国国家标准技术局)。这种衍射图具有十次旋转对称性。Shechtman深感震惊,他在实验簿上画下了由10个点组成的同心圆,并在旁边写下“十次???”。他没有意识到,他当时已经发现了第一个准晶体。2011年,Shechtman因此荣获诺贝尔化学奖。

  Steinhardt和Levine意识到了其中蕴含的意义,将其理论研究成果发表在《物理评论快报》上,为准晶体研究奠定了基础(D。 Levine and P。 J。 Steinhardt Phys。 Rev。 Lett。 53, 2477; 1984)。

  现在,科学家们已经在实验室内制作出了成百上千种具有不同对称性的准晶体。准晶体的初步应用包括不粘锅,这要得益于相应合金摩擦性低、硬度高和表面反应性低。经过小型准晶体颗粒硬化处理的钢被用于针刺和手术用针、牙科器械和剃须刀刀片。除了金属,科学家在其它材料中也发现了准晶体,包括聚合物和纳米粒子混合物。计算机模拟显示,准晶体应该具有更广泛的存在。

  上述所有这些准晶体都是人造的,Steinhardt开始对天然准晶体产生了好奇。1999年,Steinhardt(现就职于普林斯顿大学)开始了一般理论物理学家难以想象的探索之旅——寻找天然准晶体。

  全球搜寻

  Steinhardt从挖掘历史开始,他将目光瞄准博物馆——博物馆收藏了大量来自世界各地的矿物样本。他认为其中可能就包括了未被正确鉴定出来的准晶体。他集结了一支一流团队,成员包括一名地学科学家、一名电子显微镜专家和一名本科生。一场寻找天然准晶体的旅程就这样开始了。他们在尘封的档案中埋首翻找多年,却一无所获。直到有一天,来自意大利佛罗伦萨自然历史博物馆的一个匣子抵达了普林斯顿,里面是一块几乎看不见的罕见矿石——铝锌铜矿。2009年1月2日,研究人员终于确定,他们发现了一个天然准晶体(之后命名为二十面体石)。但是,它源自何处?

  经过一番意外曲折之后,他们推测该样本可能发现于俄罗斯偏远的火山岛堪察加半岛。2011年,Steinhardt在那里领导开展了一次野外考察,旨在搜寻他们认为可能包含准晶体原始来源的溪流。最终,他们搞清楚上述天然准晶体来自一块陨石,而该陨石还包含第二个天然准晶体——十面体石。

  这段紧张刺激的故事提醒我们,科学发现并不是来自某个“尤里卡”时刻。它需要决心、团队合作和乐观的心态,还有很重要的一点——运气。最后,带着对淫神星的思考,《第二种不可能》画下了句号,正如它开始时一样——相信不可能的可能。(淫神星是位于火星和木星之间、绕太阳运行的小行星,可能是那块命定陨石的母星。)

  原文以Quasicrystals: the thrill of the chase为标题

  发布在2019年1月8日《自然》书籍与艺术版块

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