准晶体的发现成就诺贝尔化学奖

准晶体的发现成就诺贝尔化学奖

湖南省湘乡市湖铁实验学校黄银飞

摘要：2011年诺贝尔化学奖授予给发现准晶体的谢赫特曼，本文在介绍谢赫特曼的主要成就的基础上阐述了准晶体的结构、性质、特点及用途，旨在推广前沿科学的普及理解，并颂扬科学家追求真理的不舍钻研精神，带给我们认真学习的启示。

关键词：准晶体；诺贝尔奖；谢赫特曼

中图分类号：G632.479文献标识码：A 文章编号：

2011年10月5日，化学诺贝尔奖被瑞典皇家科学院隆重揭晓，以色列化学家尼埃尔·谢赫特曼因发现了准晶体而独获此殊荣。其主要事迹是谢赫特曼于1982年4月8日首次在电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象——所观察的铝锰合金冷冻固化实验中原子是以一种不重复的非周期性对称有序方式排列的，此种原子排列方式的固体物质是无法用已有的理论知识来解释，同时这种物质徘徊于晶体和非晶体之间，因此提出的“准晶体”的概念，推动了人类对物质结构更深层的认识。

图1 尼埃尔·谢赫特曼(Daniel Shechtman)，1941-,博士，

化学家，欧洲科学院院士，美国国家工程院院士，以色列工学院教授。

一、曲折的科研道路

尼埃尔·谢赫特曼1941年生于以色列的特拉维夫，25岁时考入以色列工学院，1972年获得了以色列工学院博士学位，同年去美国俄亥俄州赖特－帕特森空军基地的航空航天研究实验室，在那里从事了3年钛铝化合物研究。1975年，谢赫特曼进入以色列工学院材料工程系工作，1982年他利用假期赴美国约翰斯•霍普金斯大学进行晶体的深入研究，惊奇地发现了准晶体的存在。

谢赫特曼通过电子显微镜观察铝合金中的原子，发现其排布为非周期性对称的有序排布，这无法通过当时的晶体结构理论来解释，于是他毅然地提出了类似此种物质的“准晶体”是存在的。因此种概念违背了当时的科学理论，谢赫特曼遭受了科学界众多学者的贬低与排挤，著名的化学家鲍林曾毅然肯定谢赫特曼的发现是错误的，他认为根本不可能存在“准晶体”，并呵斥谢赫特曼为“伪科学家”。众多化学界同行研究者也跟随着对谢赫特曼的伟大发现表示质疑，同年被迫谢赫特曼离开了研究团队。

谢赫特曼并未放弃自己的重大发现，在少数同行研究者的帮助下，“准晶体”方面的论文得以发表，但无法想象的是立即引起了科学界同行的更大反对。谢赫特曼被迫回国，虽然科研道路上十分艰辛，但他还是非常乐观地坚持着自己的发现。“必须成为某个领域的专家，

这是第一位的。当发现某个新事物的时候，首先要确定它确实是新事物，然后再试着解释所看到的。如果相信自己的话，就可以听取他人的意见，但不要被他们误导，不要放弃。对我来说，我知道我是对的。”谢赫特曼在采访记者面前坦然说道。

谢赫特曼就是凭着对科学的尊重与锲而不舍的钻研精神，默默地从事着“准晶体”方面的研究。三十年后的今天，科学界正式为谢赫特曼的声誉平反，“准晶体”是一项伟大的发现，这对人类对物质结构的认识有了决定性的深入推动。高达70岁的以色列化学家谢赫特曼并不追求声誉，所做的研究也只是不断积累，关于“准晶体”的论文仍寥寥无几，但它的终身坚持与不朽追求已塑造了他成为诺贝尔化学奖得主的光辉形象。

二、准晶体的结构、特点与用途

在物质结构认识上，人类很久都停留在晶体与非晶体概念上，科学界认为晶体就是物质的原子按照一定的顺序并周期性规则排列，它有固定的熔沸点；非晶体就是指内部原子是无规则排列的，它没有固定的熔沸点。尼埃尔•谢赫特曼提出的“准晶体”就是指物质内部原子以无周期的有序排列，导致物质具有超强的硬度，不易损伤，用其制作出来的材料寿命超长，经久耐用，同时由于原子间排列的无周期性导致准晶体材料无黏着力并且导热性较差。因此，人类必须纠正了固体材料只分为晶体和非晶体两种范围，固体材料的划分应如图2所示。

图2 固体材料的新划分

准晶体材料的特殊硬度与差导热性可广泛应用于生产生活中，如不粘涂层、柴油发动机、眼外科手术微细针头、刀刃等，因此它亦可用于航天飞行和现代武器的高科技材料上。如已发现组成为“铝－铜－铁－铬”的准晶体具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性，正大量被开发为炒菜锅的镀层；Al65-Cu23-Fe12组成的准晶体则十分耐磨，被开发为高温电弧喷嘴的镀层（图3）。随着科技的高速发展，准晶体在各种领域中的应用越来越广，将为人类不断带来先进科技的福音。

图3准晶体的外观和衍射图

三、谢赫特曼的获奖启示

准晶体的发现做为2011年化学诺贝尔奖是当之无愧的，这也为化学考试中STSE试题的命制埋下线索，因此认真学习准晶体的相关知识是十分有用的，奉献一道原创试题如下：

例：2011年瑞典皇家科学院正式将诺贝尔化学奖颁给以色列化学家谢赫特曼，其主要成绩是他首次发现准晶体的存在，下列关于固体材料的说法正确的是（）

A.固定材料按内部原子的排列仅分为晶体和非晶体两种

B.准晶体是介于晶体和非晶体之间的特殊形式，实际上是不存在的

C.原子排列有序的固体材料一定属于晶体

D.准晶体内部原子排列是有序无周期性的，因此它具有某些特殊性质

[解析]这是一道紧密联系时代热点的STSE试题，题干信息提示了准晶体的存在，因此固体材料不止划分为晶体和非晶体两种，故A项错误；许多合金是准晶体，也是实际存在的固体物质，故B项错误；原子排列有序的有可能是准晶体，不属于晶体范畴，故C也是错误的。

[答案] D

成功的科研工作者背后都积累着巨大工作量，尼埃尔·谢赫特曼用自己的一生坚持了“准晶体”的发现与研究，他不顾巨大舆论压力来捍卫着科学的真理，在艰辛的科研道路上不断拓展与前进，十分值得我们学习和仿效。谢赫特曼归纳自己的成功时谈到：“好的教育必须有高资质的教师队伍，非常感谢我的老师，是他们赐予了我现在成就的可能。”可见一个伟大化学家心中尊师的高尚情操，每一个教师用自己的心血浇灌着未来的希望，告诫学习者应该尊师敬道、不断认真地学习。

参考文献：

[1] 金宝成,郭政治.准晶体[J].自然杂志,1987,10(2):136.

[2] 龙威.以2010年“诺贝尔化学奖”为背景的试题赏析[J].化学教学,2011,32(7):58-59.

[3] 刘维.固体材料中的新成员—准晶体[J].现代物理知识,1990,(10):10-11.

[4] 赵威.“准科学家”的准晶体[N].南方周末,2011.10.3:D27.1-2.