材料科學領域驚心動魄的故事:勇敢者追逐的準晶體
2019年06月02日10:37

  文章來源: Nature自然科研

  原文作者:Sharon Glotzer

  這是材料科學領域一段引人入勝而又驚心動魄的故事,Sharon Glotzer樂享其中。

  想像這樣一幅畫面。俄羅斯遠東,一群各懷心思的人與時間展開了一場分秒必爭的賽跑,企圖解開一個隱藏了幾十億年的秘密。因為這個秘密,一塊塵封在意大利博物館地下室內的岩石可能從此與太陽系的演化發生了關係。為瞭解開這個秘密,一名傑出的理論物理學家需要打破種種不可能,他要面對的有克里姆林宮特工、一個消失的包裹、秘密日記,還要艱難跋涉,登上一座火山半島。

一個準晶體結構模型。    來源: Alison Forner/The Second Kind of Impossible, Simon and Schuster
一個準晶體結構模型。   來源: Alison Forner/The Second Kind of Impossible, Simon and Schuster

  這不是什麼荷李活大片,而是在現實世界里上演的一場無畏的科學探索之旅。在《第二種不可能》一書中,理論物理學家Paul Steinhardt講述了自己尋找天然準晶體的一段動人心魄的經曆(準晶體是一種具有晶體所不具備的原子排列形式的物質形式)。這本書既有嚴謹清晰的科學實錄,也記錄了跌宕起伏的冒險奇遇:發現、失望、興奮與堅持,全部交織在一起。

  在晶體中,原子按照一定規則重複排列。在準晶體中,原子排列仍然是有序的,但卻不具有週期性,即不重複。這一特點導致準晶體具有特殊的旋轉對稱性(譬如說,它們與正方晶格不一樣,後者具有四次旋轉對稱性)。20世紀80年代,準晶體首次被發現。但是曾經有一段時間,除了物理學家,科學界內的許多人都不接受有關準晶體的解讀。畢竟,準晶體推翻了將近200年的關於物質結構的科學認知。法國牧師René-Just Haüy在其1801年的《礦物學論》(Treatise of Mineralogy)中指出,固體包含微觀組成,因此所有元素和混合物,從蔗糖到藍寶石,都能以晶體形式存在,至少在理論上如此。儘管原子排列形式有成千上萬種可能,但是描述晶體的規則很簡單:晶體只具有二次、三次、四次或六次旋轉對稱性。最終,準晶體的發現打破了這一規則。

  Steinhardt的故事要從1985年加州帕薩迪納市說起。當時,他在賓夕法尼亞大學任教。有一次,他回到自己的本科母校加州理工學院發表演講,並向曾教過他的教授、物理學家理查德·費曼解釋了自己與博士生Dov Levine共同想出的一個理論。根據這個理論的預測,可能存在準晶體——具有技術上可行但極其不可能的對稱性:“第二種可能”。

  禁忌結構

  從20世紀70年代後期起,Steinhardt就一直猜想具有五次旋轉對稱性的“禁忌”晶體或許是可能的——如果通過急冷凝固將原子排列為二十面體。他和Levine一開始採用泡沫塑料球和煙鬥通條做實驗,之後用紙張模型做實驗。他們依靠的是彭羅斯拚圖(Penrose tilings)——由兩種形狀組合產生的非重複性圖案,類似於經典的伊斯蘭清真寺上的瓷磚圖案。他們發現,在一個彭羅斯拚圖上畫上平行線後,可以證明這些拚圖以準週期形式排列,產生五次旋轉對稱性。這正是他們所需要的突破。拓展至三維空間後便產生了Steinhardt長期猜想的二十面體準晶體。

Paul Steinhardt手持一個準晶體模型。    來源: 普林斯頓大學董事會
Paul Steinhardt手持一個準晶體模型。   來源: 普林斯頓大學董事會

  他們當時不知道的是,在幾百公里之外,另一位材料科學家已經通過鋁錳合金的急冷凝固,獲得了一種前所未見的衍射圖。這位科學家便是Dan Shechtman,他當時就職於美國國家標準局(現為美國國家標準技術局)。這種衍射圖具有十次旋轉對稱性。Shechtman深感震驚,他在實驗簿上畫下了由10個點組成的同心圓,並在旁邊寫下“十次”。他沒有意識到,他當時已經發現了第一個準晶體。2011年,Shechtman因此榮獲諾貝爾化學獎。

  Steinhardt和Levine意識到了其中蘊含的意義,將其理論研究成果發表在《物理評論快報》上,為準晶體研究奠定了基礎(D。 Levine and P。 J。 Steinhardt Phys。 Rev。 Lett。 53, 2477; 1984)。

  現在,科學家們已經在實驗室內製作出了成百上千種具有不同對稱性的準晶體。準晶體的初步應用包括不粘鍋,這要得益於相應合金摩擦性低、硬度高和表面反應性低。經過小型準晶體顆粒硬化處理的鋼被用於針刺和手術用針、牙科器械和剃鬚刀刀片。除了金屬,科學家在其它材料中也發現了準晶體,包括聚合物和納米粒子混合物。計算機模擬顯示,準晶體應該具有更廣泛的存在。

  上述所有這些準晶體都是人造的,Steinhardt開始對天然準晶體產生了好奇。1999年,Steinhardt(現就職於普林斯頓大學)開始了一般理論物理學家難以想像的探索之旅——尋找天然準晶體。

  全球搜尋

  Steinhardt從挖掘歷史開始,他將目光瞄準博物館——博物館收藏了大量來自世界各地的礦物樣本。他認為其中可能就包括了未被正確鑒定出來的準晶體。他集結了一支一流團隊,成員包括一名地學科學家、一名電子顯微鏡專家和一名本科生。一場尋找天然準晶體的旅程就這樣開始了。他們在塵封的檔案中埋首翻找多年,卻一無所獲。直到有一天,來自意大利佛羅倫斯自然歷史博物館的一個匣子抵達了普林斯頓,裡面是一塊幾乎看不見的罕見礦石——鋁鋅銅礦。2009年1月2日,研究人員終於確定,他們發現了一個天然準晶體(之後命名為二十面體石)。但是,它源自何處?

  經過一番意外曲折之後,他們推測該樣本可能發現於俄羅斯偏遠的火山島堪察加半島。2011年,Steinhardt在那裡領導開展了一次野外考察,旨在搜尋他們認為可能包含準晶體原始來源的溪流。最終,他們搞清楚上述天然準晶體來自一塊隕石,而該隕石還包含第二個天然準晶體——十面體石。

  這段緊張刺激的故事提醒我們,科學發現並不是來自某個“尤里卡”時刻。它需要決心、團隊合作和樂觀的心態,還有很重要的一點——運氣。最後,帶著對淫神星的思考,《第二種不可能》畫下了句號,正如它開始時一樣——相信不可能的可能。(淫神星是位於火星和木星之間、繞太陽運行的小行星,可能是那塊命定隕石的母星。)

  原文以Quasicrystals: the thrill of the chase為標題

  發佈在2019年1月8日《自然》書籍與藝術版塊

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