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貢獻(xiàn)
1984年,舍特曼在美國(guó)霍普金斯大學(xué)工作時(shí)發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶,這種新的結(jié)構(gòu)因?yàn)槿鄙倏臻g周期性而不是晶體,但又不像非晶體,準(zhǔn)晶展現(xiàn)了完美的長(zhǎng)程有序,這個(gè)事實(shí)給晶體學(xué)界帶來了巨大的沖擊,它對(duì)長(zhǎng)程有序與周期性等價(jià)的基本概念提出了挑戰(zhàn)。
舍特曼發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體,這種材料具有的奇特結(jié)構(gòu),推翻了晶體學(xué)已建立的概念。許多年以來,凝聚態(tài)物理學(xué)家們僅僅關(guān)心晶態(tài)的固體物質(zhì)。然而,在過去的幾十年,他們逐漸把注意力轉(zhuǎn)向“非晶”材料,如液體或非晶體,這些材料中的原子僅在短程有序,被稱為缺少“空間周期性”。
準(zhǔn)晶體的發(fā)現(xiàn)
1984年,丹尼爾·舍特曼還在讀大學(xué),一天,他照常走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。
在那之前的一個(gè)星期,舍特曼參加了一個(gè)考試。其中有一道題是這樣的:試證明沒有5次對(duì)稱軸的晶體。(附:現(xiàn)在認(rèn)為的晶體只有1,2,3,4,6對(duì)稱軸的)
這是什么意思呢?比如說氯化鈉晶體。它的每一個(gè)鈉原子(更確切的說是鈉離子)周圍都有六個(gè)氯離子,同樣,每一個(gè)氯離子周圍都有六個(gè)鈉離子。如果我們“挖”出其中一個(gè)平面(實(shí)驗(yàn)中是通過X衍射等方法辦到的),我們就會(huì)發(fā)現(xiàn),把這個(gè)平面旋轉(zhuǎn)90°,180°,270°,360°都與原圖形一樣,所以說它屬于4對(duì)稱軸晶體。沒有5對(duì)稱軸是因?yàn)檎暹呅尾荒軉为?dú)組成一個(gè)平面。
如果它有呢?好,假設(shè)我們這里有P,Q兩個(gè)原子,根據(jù)晶體定義,兩個(gè)原子之間距離一定是一樣的。那么我們分別以P和Q為圓心,以PQ長(zhǎng)為半徑(設(shè)為r)畫弧,我們可以得到兩個(gè)圓。因?yàn)檫@個(gè)晶體需要5對(duì)稱軸,所以做出兩個(gè)圓以后,我們將圓形周長(zhǎng)五等分,就會(huì)得到新的八個(gè)點(diǎn),理論上的五對(duì)稱軸晶體原子排布就是這樣的。結(jié)果,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),其中有兩隊(duì)原子中間距離小于r,這就與晶體定義不符了,所以5對(duì)稱軸晶體不存在。
這天早上,他進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,將鋁和錳共熔成合金然后迅速冷卻,之后它把的分子結(jié)構(gòu)用儀器測(cè)了出來,但是結(jié)果使他非常吃驚,它發(fā)現(xiàn)這種分子很不規(guī)則。再一數(shù),發(fā)現(xiàn)每個(gè)原子周圍居然有十個(gè)原子!
這絕對(duì)錯(cuò)了,舍特曼想。
于是,他又?jǐn)?shù)了數(shù),,一,二,三,四,五,六,七,八,九,十,沒問題,十個(gè)!
這不符合晶體原則,可它又不能不算晶體啊。他經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),中心原子與第一層原子的距離,第一層原子與第二層原子的距離,第二層原子與第三層原子的距離……這些數(shù)據(jù)居然滿足斐波那契數(shù)列!乖乖,不是應(yīng)該相等嗎?!他懷著激動(dòng)的心情把這些都紀(jì)錄在了他的本子上,并在本上畫出那個(gè)奇形怪狀的分子(PS:這個(gè)本子是他的私人本子,一般不給別人看的。他的習(xí)慣是每頁先紀(jì)錄心情,那一天是“SAD“)然后,他發(fā)表了一篇關(guān)于“準(zhǔn)晶體”的論文。
他把這些都匯報(bào)給了他的“上司”,卻被批評(píng)一頓。上司甚至拿出一本晶體學(xué)基礎(chǔ)課本讓他好好看看,舍特曼十分失望,于是離開了他的團(tuán)隊(duì)。正巧,他去了美國(guó)一個(gè)物理學(xué)家會(huì)議,結(jié)交了與他志同道合的一位法國(guó)物理學(xué)家和一個(gè)新團(tuán)隊(duì),他們最后組合起來研究,并與1984年又發(fā)表了一篇關(guān)于準(zhǔn)晶體的稍微短一些的論文。
論文并不成功,許多人堅(jiān)信原來的晶體觀念,拒不承認(rèn)存在5對(duì)稱軸的“準(zhǔn)晶體”。就連大物理學(xué)家泡利也公開反對(duì)。許多人見到名人反對(duì),自然不愿承認(rèn)。舍特曼受到很多人嘲笑、排擠。不過舍特曼等人并不氣餒,況且他們也有一些盟友。幾年后,隨著鋁,銅,鐵,鎵,鋨,稀土等合金的準(zhǔn)晶體的不斷發(fā)現(xiàn),以及泡利的去世,越來越多人開始支持準(zhǔn)晶體理論。以至于國(guó)際化學(xué)界都修改了關(guān)于晶體的定義?;瘜W(xué)家們看待固體的方式也由此有了大改變。
2011年,他因發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。有人評(píng)論說:他開啟了晶體學(xué)新時(shí)代。作為一個(gè)不人云亦云的化學(xué)家,他完全配得上這些榮譽(yù)。
2012年5月,他與幾位諾獎(jiǎng)獲得者來到西安,并做客高新一中,交大附中等學(xué)校做演講。
2012年5月16日,他在江蘇師范大學(xué)做學(xué)術(shù)報(bào)告,并被江蘇師范大學(xué)(原徐州師范大學(xué))聘為校名譽(yù)教授。在做報(bào)告時(shí)舍特曼鼓勵(lì)聽取報(bào)告的學(xué)生們,做科研一定要嚴(yán)謹(jǐn),要堅(jiān)持真理。他說在他發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)單晶之前的很長(zhǎng)時(shí)間里,不是沒有人發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)單晶,而是這些人不相信自己的發(fā)現(xiàn),有些人不敢懷疑以前權(quán)威人士的觀點(diǎn)。報(bào)告結(jié)束后,舍特曼同其妻子,還有江蘇師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的學(xué)生楊龍廣一起參觀了徐州的龜山漢墓,在參觀過程中,舍特曼對(duì)中國(guó)古老建筑表現(xiàn)了極高的興趣,每遇到一座古建筑或一尊石雕塑,他都要細(xì)細(xì)的觀察,并力求弄明白它的歷史意義。我想這正是他能在自己的科研事業(yè)中取得極高成就的原因之一。
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