摘要
材料科学研究不同材料的结构和性质。其中一种材料就是晶体。晶体是由高度有序排列的原子、离子或分子组成的固体材料。盐、石英和钻石都是晶体的例子。在普通晶体中，这些组成部分在各个方向上以重复的模式组织。相比之下，在被称为准晶体的特殊晶体中，积木以非重复的方式组织。准晶体的发现在晶体学中引起了一场革命，并改变了我们对晶体最基本的定义。自它们被发现以来，人们已经发现了数百种准晶体。其中一些准晶体具有独特的物理性质，适用于各种不同的应用。
谢赫特曼教授因发现准晶体而获得2011年诺贝尔化学奖。
采访并共同撰写诺亚戈夫，毕业于以色列海法以色列理工学院Technion能源项目。
我如何成为一名材料科学家
在我7岁的时候，我爷爷给我买了一份非同寻常的礼物——一只放大镜!这让我非常高兴，我开始带着这个放大镜在拉马特甘市(以色列)散步。我看了我能找到的所有东西——花、虫子、沙子和许多其他小东西。在这个过程中，我爱上了小事物的世界。几年后，当我上五年级的时候，一架显微镜送到了我们学校。一周又一周，我让老师把显微镜带到我们班。最终他做到了，他邀请我成为第一个浏览它的人。我们看着一片叶子，我能看到叶绿素的运动，叶绿素是叶子里的一种小分子，是它的绿色的原因。从那以后，我就不能离开显微镜了。多年后，在我在以色列理工学院学习期间，一种非常强大的显微镜送到了我们的工厂，叫做透射电子显微镜(TEM)．我爱上了这台显微镜，因为它让我实现了我对小事物世界的科学好奇心。我很快就学会了操作这台显微镜，通过使用它，我发现了一种新型材料，多年后，这种材料为我赢得了诺贝尔奖。
准晶体的发现
1981年，我去美国研究飞机用铝基材料。最初，我在一个合金铝和铁的结合，发现了一种新的阶段-这种合金中原子的特殊排列。我想研究一下这种安排，但它不稳定。因此，我用铝和锰制备了各种稳定的合金。我开始制备不同浓度的铝锰合金。这些合金中有些对航空应用有用，有些则不是，但出于我的科学好奇心，我仍然制备了它们。我用透射电镜研究了所有这些铝锰合金。我称TEM为“显微镜之王”，因为它是一种功能强大的工具，具有惊人的功能。透射电镜可以让我们看到原子在不同材料中的排列方式。
1982年4月8日，星期四，我用透射电镜研究了我的一种合金，我在屏幕上看到了一个非常特别的图案。我们把电子与固体障碍物相互作用时形成的图案称为水晶,一个衍射模式(图1(左)。我立刻意识到在衍射图样中有一些不寻常的东西，因此在这种材料的结构中，我们现在称之为“准晶体于是我写道:“10倍??”在我的实验室笔记本上(图1，右，括号中的第6行)。现在我将解释这种模式的特别之处，我笔记本上的注释的意义，以及为什么它彻底改变了世界晶体学．
- 图1 -第一个准晶体的发现。
- (左)1982年发现的铝锰准晶体的衍射图。这些点的分散图案向我们展示了构成这种材料的原子的排列方式。(右)我的实验室笔记本，记录了我对这一发现的惊讶(扫描1725，第6行)。
水晶——发现之前和之后
结晶学(研究晶体的科学)始于1912年，由德国物理学家马克斯·冯·劳埃创立。冯·劳埃是第一个用x射线穿透晶体的人，他发现原子形成了一个命令衍射模式。同年，英国物理学家布拉格父子提出了一个数学方程，描述了冯·劳厄观察到的实验现象。这就是晶体学如何成为一个新的科学领域。结晶学诞生后，研究了成千上万的晶体，它们都表现出两个共同的性质:它们是有序的(而不是随机的)和周期(表现出重复的模式)(图2)．由于所有这些观察，晶体的定义变成了“一种原子以固定的、重复的结构排列的固体材料”。众所周知的晶体例子有盐粒、石英石和钻石，但大多数金属，如铜、铝和铁，也是晶体。经典晶体还有一种特性叫做旋转对称．由于描述晶体内部排列的数学规则，人们发现晶体可以有不同类型的旋转对称，称为“阶”(即，阶1,2,3,4或6;看到图2旋转对称为4阶)，而不是其他阶(例如，5或10阶)。
- 图2 -顺序、周期性和旋转对称性。
- (左)晶体一种简单、有序的周期性晶体这些点代表晶体的原子，以有序、非随机的方式排列。晶体也是周期性的，这意味着，如果你选择一个方向(红线)，从一个点到下一个点，线上每两个点之间的距离是相同的。如果你选择一个包含四个原子的正方形，并在所有方向上复制它，你也可以看到周期性，因为你会得到完全相同的结构。(中心)具有四重旋转对称的结构。想象你自己拿着红色的手柄，顺时针旋转结构90°。现在的处理是向右(如在方框上所见正确的)．没有红色手柄，整个结构在旋转前后看起来完全相同。在这种晶体中，每90°旋转一次，结构就会重复一次。这被称为四重对称，因为每四次这样的旋转，我们就完成了一个360°的旋转，所有的点都回到了原来的位置。图源:Dan Shechtman
在结晶学诞生七十年后，我发现了一种有序但不具有周期性的晶体。为了更好地理解这是什么意思，看看左边图3．你可以看到中心大圆点周围的圆点(蓝色、黄色和红色)越来越宽。每个圆由10个点组成，像一朵花，有5对相对的叶子(点1是点6的伙伴，点2是点7的伙伴，等等)。如果你测量从中心到第一个圆的距离，你会看到它不是中心到第二个圆之间距离的一半(蓝色和黄色线在图3右边)。同样，中心和第一个圆之间的距离不是中心和第三个圆之间距离的三分之一(蓝色和红色线在图3右边)。这就意味着我们不能把一个圆复制到离中心相等距离的地方得到我看到的晶体，也就是说晶体是非周期性的。但我们可以用数学来描述中心和扩大的圆之间的距离，这意味着晶体结构不是随机的，而是有序的(这里有一个谜题:你能找到我的晶体和著名的蒙娜丽莎画之间的联系吗?答案在本文的末尾)。
- 图3 -准晶体的衍射图样。
- (左)衍射图案显示为扩大的圆(蓝色、黄色和红色)，每个圆由10个点组成，它们成对排列，彼此相对(例如，点1是点6的伙伴)。(右)同一圆上任意两个点之间的夹角为36°(虚线)，这意味着从中心旋转36°会使图案看起来与旋转之前相同。这样旋转10次，所有的点就会回到原来的位置;所以这种模式被称为10倍旋转对称。你还可以看到，中心到第一个圆的距离(蓝线)不是中心到第二个圆的距离(黄线)的一半，也不是中心到第三个圆的距离(红线)的三分之一。这意味着这个模式不是周期性的。
注意这些点是怎么进来的图3(左)在圆上以相同的距离排列。由于圆中有10个等间距的点，如果你把一个轴放在圆的中心，并向任何一个方向旋转36°(360°/10 = 36°)，你会得到与转弯前完全相同的图像。我们称之为10倍旋转对称。由于10倍或5倍旋转对称不发生在周期晶体中(要了解更多信息，请看这个链接)，这种晶体显然不是周期性的。这就是为什么我写“10倍??”，作为“10倍旋转对称”的缩写。我加上了三个问号，因为我知道有10倍对称性的晶体以前从未见过。
总之，我发现了一种与经典定义相矛盾的晶体，被当时的物理定律认为是“禁忌”的。这种情况意味着有两种选择:要么对我目睹的现象有另一种解释，这与现有的定义不矛盾，要么现有的定义需要更新，以包括我发现的晶体。在下一节中，我将描述科学界是如何确信需要对晶体进行新定义的。
准晶体的发现在被接受之前就受到了批评
在这个发现的两年后，我和同事们就这个话题发表了两篇论文[1，2］．世界各地成千上万的研究人员加入我们，开始研究准晶体(现在有超过10,000篇关于准晶体的论文发表)。但是，以两次获得诺贝尔奖的伟大美国科学家莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)为首的强烈反对也出现了。鲍林亲自攻击我，甚至说，“没有准晶体，只有准科学家。”鲍林和他的支持者声称我在显微镜里看到的是一种叫做双胞胎的现象。图4)．这是一种晶体现象，其中两个晶体相互耦合。每个晶体都是有序的和周期性的，由于偶联，晶体似乎具有5倍对称性。
- 图4 -双晶体呈现5倍对称。
- (左)由五对双晶体制成的铝铁晶体。每一片“叶子”都是一个有序的、周期性的晶体，每两个耦合的晶体(就像红色标记的晶体)被称为双胞胎，是彼此的镜像。(右)双晶的衍射图样。你可以看到，得到的图形与准晶体(图1)．这个图像是每个单独晶体的衍射图案的总和。图中的红色圆圈标记了10个相邻晶体中的一个晶体的衍射模式。你可以看到这个图形是有序的和周期性的，所以它满足晶体的经典定义。
我立即检查了我的晶体中是否有双胞胎，但我没有发现任何双胞胎，我确信我最初的结果。我知道我发现了一种新现象，发现了一种新材料。鲍林对我的发现的反对持续了10年!1994年鲍林去世后，大多数反对我的科学发现的声音逐渐消失，人们开始完全接受这一科学发现。人们对我的发现的认可给晶体下了新的定义，同时也不可避免地给结晶学带来了新的启示。在我自己的发现之后，发现了数百种准晶体，其中一些表现出有用的特性，比如耐变质，以及随温度变化而变化的有趣的电学性质。一些使用准晶体的产品已经生产出来，比如Sitram的平底锅不粘涂层，以及山特维克的强化不锈钢。
给青年科学家的建议
如果你想成为一名科学家，你需要培养两个品质。首先，你需要成为科学大世界的人。你需要在不同的领域有广泛的知识，比如数学、物理、化学、生物、计算机，你还需要知道什么已经被发现了，以及根据目前的理论，什么是“允许的”或“禁止的”。以我的发现为例，我知道5倍对称被当时公认的晶体定义“禁止”，直到那时，只有在孪生晶体中才观察到。
但是，了解现有的理论还不足以使你成为一名成功的科学家。你还需要培养一门专业知识。找到你喜欢做的事，你擅长的事，让你感兴趣的事——成为这方面的专家。我积累了TEM的专业知识，当时只有少数人像我一样知道如何操作它。这是我的优势，也让我在鲍林的严厉批评面前仍然对自己的成绩充满信心。
总之，请记住，生活为我们提供了许多机会，我们需要知道如何利用它们。此外，要记住，生活是由各种丰富的元素组成的。当有人问我人生中最快乐的时刻是什么时，我回答说，那就是我妻子、4个孩子和12个孙子孙女出生的时候。希望你们也能体验到创造生命、理解世界的奇妙，祝你们一路顺风顺水。
《什么是水晶》谜题的答案
在我发现的晶体中，变宽的圆的直径(图3(右)是黄金比例——一个无理数，其值约为1.618。同样的黄金比例也出现在达芬奇最著名的画作《蒙娜丽莎》的脸上。黄金比例为观察者提供了一种令人愉悦的美的体验。你们能注意到我发现的衍射图样的美妙之处吗?
术语表
透射电子显微镜(TEM)：↑电子束显微镜一种用电子束穿透被检查物质的显微镜电子产生的衍射图样显示了材料的原子结构。
合金：↑金属材料由至少两种元素制成的材料，其中一种或多种元素是金属
阶段(水晶)：↑物质的某种状态很多时候，我们在物质状态的背景下谈论相——气体、液体、固体或等离子体，但这里我们指的是构成物质的原子在空间中的特定排列。
水晶：↑一种固体材料，其组成部分(原子、离子或分子)在空间中有序排列。
衍射：↑散射现象:光或电子与障碍物(如晶体或其他固体物质)相互作用时发生散射的现象
准晶体：↑具有积木的晶体以非周期性的方式排列在空间中，这意味着它们不会以重复的模式在所有方向上复制。
晶体学：↑晶体学:研究固体中原子空间排列的科学领域，其中包括晶体
订单：↑不是随机的有组织的模式。
周期性：↑(在时间或空间上)一遍又一遍地重复的图案。
旋转对称：↑绕着一个中心轴旋转而重复自身的图案。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
参考文献
[1]↑Shechtman, D.和Blech, i.a.， 1985。快速凝固Al的显微组织6锰。金属。反式。一个16:1005-12。doi: 10.1007 / BF02811670
[２]↑谢赫特曼，D.，布莱希，I.，格拉提亚斯，D.和卡恩，J. W. 1984。长距离定向有序且无平动对称性的金属相。理论物理。启。53:1951-4。doi: 10.1103 / PhysRevLett.53.1951