对于无法用一个经典结构式来表达的分子、离子或自由基，可以通过若干经典结构式的共振来表示。共振中的结构并不存在，真实粒子也并非这些共振结构的混合物或平衡体系，只是因为价键理论中无法用单一结构式来准确表达物质的结构，所以借助共振的概念。这个概念由L.Pauling在1928年提出，“共振”一词（Resonance）来源于用量子力学法处理氢分子时，产生的两个耦合振子的经典系统
断章师爷 说说准晶体及其他
作者：
light12 于 2011-10-24
01:24 发表于 最热闹的华人社交网络--贝壳村
| 说说准晶体及其他（上） 断章师爷
时间: 2011-10-20 周四, 下午9:09 |
|
|
作者：断章师爷 在 芦笛自治区 发贴, 来自 海纳百川
说说准晶体及其他（上）
断章师爷
前段日子琐事缠身，很长时间未来《芦笛自治区》了。这些天仔仔细细地把未曾看过的文章补看了一遍。金唢呐先生转贴了一篇《2011诺贝尔化学奖与中国擦身而过》，犀利先生在跟贴中嘱我“回來說說”。作为一种材料，晶体这个名词倒是耳熟能详，只是不知从何说起才好，因为从未接触过准晶体。既然犀利先生点了名，我也已经“回来”，只能勉为其难来“说说”它了。
自从10月5日，以色列理工学院的Dan
Shechtman荣膺2011年诺贝尔化学奖后，“准晶体”顿时成了网络上的热门字眼，有关的文字铺天盖地。倘若想了解什么是“准晶体”的话，只要在网络上搜索一阵，完全可以选择到适应各种不同程度的文章。《WIKI》上“准晶体”那条栏目就写得很好，中文版的《维基》大体上译自英文，但是删节了一些内容。当然想大致了解一下的话也足够了。
好多年前，法国国家科学研究中心（CNRS）的D.
Gratias教授曾来我们系里做过一个准晶体的讲座，当时像听新闻似地听了一遍，也没有留下很深的印象。日前我从资料室里找到了他当年的讲稿，借出来浏览了一遍。这样吧，让我再当一回文抄公，把有关内容摘录一些，以飨芦区网友。但是很多术语的中文译名我不清楚，只好根据自己的意思撰译。谬误在所难免，盼高人指正。
众所周知，晶体是具有对称性的，即相同的晶面、晶棱和角顶在空间可以作有规律的重复。因为格子的构造是晶体的一种内在本质，晶体的对称除了体现在几何外形上，同时在其光学、力学、热学、电学等物理性质上也都可以反映出来。所以对称可以作为晶体分类的最好依据。
对称操作时需要的几何要素，如点、线、面等都是晶体的对称要素，通常包括对称中心（centre of
symmetry）、对称面、对称轴、倒转轴（rotary-inversion axis）和旋转反映轴（rotary-reflection axis）。
对称中心是一个假想的点，通过该点作任意直线，线上距该点等距离的两端都可找到对称点。对称轴是一根假想的直线，当几何图形围绕对称轴旋转一定角度后，可使相等部分重复。旋转一周重复的次数称为对称轴的次数。晶体中的对称轴有一次、二次、三次、四次和六次，对应的转动角度分别是360°、180°、120°、90°和60°。显然一次对称轴没有实际意义，因为晶体围绕任一直线旋转360°都可回复原状。对称面是一个假想的平面，将晶体图形分成互为镜像的两个相等部分。根据对称要素，可以将晶体分为3个晶族：低级晶族（一次）、中级晶族（二次）、高级晶族（三次以上）；7个晶系：三斜晶系（无对称轴和对称面）、单斜晶系（二次轴和对称面都不多于一个）、斜方晶系（二次轴或对称面多于一个）、三方晶系（一个三次轴）、四方晶系（一个四次轴）、六方晶系（一个六次轴）、等轴晶系（四个三次轴）；32个对称型：2个三斜晶系、3个单斜晶系、3个斜方晶系、5个三方晶系、7个四方晶系、7个六方晶系、5个等轴晶系。晶体的所有对称要素相交于中心，对称操作时中心点不动，因此对称型也称为点群。
但是晶体中不可能出现五次对称轴或高于六次的对称轴，因为它们不符合空间格子的规律。根据几何的图形知识，可知围绕二次、三次、四次和六次对称轴所形成的多边形，都能不留任何间隙地布满平面，也即符合空间格子的网孔。但是垂直于五次、七次和八次对称轴所形成的正五边形、正七边形和正八边形却都不能毫无间隙地布满空间。可以很方便地将硬纸剪成面积相等的正多边形来做拼图游戏。在二次（矩形）、三次（正三角形）、四次（正方形）和六次（正六边形）情况下都可以拼成一个不留空隙的平面。但是五次（正五边形）、七次（正七边形）和八次（正八边形）就不行。例如用6个正五边形拼成的平面中间会留有一个菱形的空隙（菱形的两对内角分别是36°和144°）；6个正七边形拼成的平面中间会留有一个哑铃状八边形（八边形两旁的六个内角都是102.86°，中间向内凹进的二个内角都是231.44°）；6个正八边形拼成的平面中间会留有二个隔开的小正方形。可见它们都不符合空间格子的网孔。这一规律称为晶体的对称定律。
早在1982年D.Shechtman 和
I.Blech想通过急冷使铝中熔入较多的锰、铬、铁等合金元素发生固熔强化作用，就在铝-锰合金中发现了五次对称衍射图，其颗粒的点群为m35。这与传统晶体学的对称性相矛盾，所以他们迟迟未曾发表。直到1984年秋在加州大学Santa
Barbara分校理论物理中心召开的一次讨论会中听到普林斯顿大学理论物理中心的
P.J.Steinhardt介绍他们的计算结果，不但液体结构中近邻取向序是二十面体对称，固体也如此。于是，D.Shechtman等将他们的结果用“长程取向有序和没有平移对称性的金属相”为题发表在《物理学评论通信》（PRL)
53
卷20分册上，文中开宗明义地指出“我们观察到一种长程有序的金属固体，具有20面体对称性，然而不符合晶格的平移对称。其衍射斑点像晶体般尖锐，但是不能用Bravai格子来标识。这种固体是亚稳定的，是通过熔体的一级转变形成的”。（A
metallic solid ,Al-14-at%-Mn ,with long-range orientational order but with
isosahedral point group symmetry, which is inconsistent with lattice
translations. Its diffraction spots are as sharp as those of crystals but cannot
be indexed to any Bravais lattice. The solid is matastable and forms from the
melt by a first-order trasition.see D. Shechtman et al.Metallic Phase with
long/range orientational order and no translational symmetry，Physical Review
Letters Vol.53 No.20.) 不久D. Levine和P.
J.Steinhardt也在《物理学评论通信》发表了标题为“准晶：一种新的有序结构”的文章 （Quasicrystals: A New Class of
Ordered Structures，Physical Review Letters Vol.53
No.26)，第一次提出“准晶”（quasicrystals)这个名词，并说这是“准周期晶体（quasiperiodic crystal )的简称。
这类物质不久之后被陆续发现，受到许多学者的重视。在五次旋转对称的准晶之后，已相继发现了八次、十次和十二次旋转对称的准晶，它们都具有明锐的电子衍射图，表明其相结构长程有序
。它们被认为是介于非晶态和结晶态之间的一种新物态 准晶态。准晶也可以定义为由两种(或两种以上) 具有长程准周期平移有序和长程取向有序的“原胞
”在空间无限重复构成的物质。高次轴多于一个的对称轴组合，相当于正多面体中对称轴的组合。共有四面体、八面体、正方体、正五角十二面体和正三角二十面体等五种。后二者因为有与格子构造不相容的五次对称轴，在过去的结晶学中是被排除的。准晶的发现，使二十面体的探讨又被提出来。就配位数为12而言(配位数coordination
number，是晶格中与某一原子相距最近的原子个数。)二十面体在能量上应是一种合适的配位形式。12次配位的形式可见于立方最紧密堆积晶体结构中，在这种结构中，所有的配位原子都是等效的，但每个配位原子周围的原子不是均等分布的。通常每个配位原子与周围配位原子联线的交角中，两个对顶角为90°，另两个对顶角为60°，角度分布为90°、60°、90°、60°。也可见于六方最紧密堆积晶体结构中，在这种结构中配位原子不是等效的，联线交角都是60°，能量分布均匀，配位原子之间的斥力能达到平衡，应是最为稳定的。因此，对单个原子孤立的12次配位来说，二十面体配位是一种最理想的形式。只是由于几何原因，它不能联结成空间格子构造，在晶体中规则的二十面体配位不能存在。但对大小相近的离子在其形成配位体时，是有形成二十面体配位的倾向的。这一客观规律是物质组成过程中，特别是由无序混沌状态开始向规律组织发展的初期应起重要作用，在准晶、生物界这一规律的搭配发挥得很好。
下面拟介绍一下与准晶有关的基本概念。
准晶的分类
按照准晶的准周期维数可以分为一维准晶、二维准晶和三维准晶。（1）一维准晶是具有周期性平移对称的二维晶层在其法线方向呈准周期堆砌。（2）二维准晶是在主轴方向上呈周期性平移对称，与主轴正交的平面呈准周期排列，有八次、十次和十二次旋转对称轴的准晶，其中十次旋转对称轴的最多。（3）三维准晶是在三维空间场作准周期排列，主要为二十面体，包含6个五次对称轴、10个三次对称轴和15个二次对称轴。
按照热力学稳定性可以分为类亚稳准晶和稳定准晶。（1）亚稳准晶处于热力学亚稳态，温度升高时为降低系统自由能将发生晶化转变。亚稳准晶多数用快速凝固法制备，早期获得的准晶基本都为亚稳准晶。（2）稳定准晶以热力学稳定态存在，在较高的温度下也稳定。最早发现稳定准晶的是台湾旅日物理学家蔡安邦教授，1987年他在实验中发现铝-铜-铁合金体系可以制备成具有热力学稳定性的准晶。（A.
P.Tsai，A. Inoue, T. Masumoto, A stable quasicrystal in Al-Cu-Fe system. Jpn. J.
Appl. Phys. 1987, 26, L1505-L1507. ）
准晶的结构模型
准晶体系的原子结构极为复杂，是几何、代数及群等多门学科的研究对象，模型的类别繁多，通常按维数区分。可以分为一维Fibonacci数列模型，二维Penrose拼图模型和三维Penrose堆砌模型。
（1）我们知道Fibonacci数列的前几项分别是：1、1、2、3、5、8、13……。数列的每一项等于前二项之和，当数列趋向无穷大时，后项与前项之比为1.61803……，也即黄金分割数。Fibonacci数列的结点是可以描述的，所以虽然该数列没有周期性，却有准周期性，对应的物理体系是长程有序又能产生明锐的衍射斑点。所以Fibonacci数列可以用来描述一维准晶的结构模型。（2）二维Penrose拼图不是晶体图形，因为图中没有晶胞周期性的排列特征，但也不是非晶体图形，因为并非完全无序，而具有严格的拼铺规则。
因此拼图具有一种不严格的长程平移对称性，可称之为准周期性。此外图中的菱形串可分为5族，族间夹角为
72°的整数倍，它们类似于晶面，也能反射电子束，形成具有五次旋转对称性的衍射图谱。所以Penrose拼图可以用来解释二维准晶现象。（3）三维Penrose堆砌体模型，采用2个每个面都是菱形的六面体作为拼砌单元，按照一定的规律，可以填满整个三维空间，形成三维Penrose堆砌体，包含了许多取向相同的二十面体，因此具有五次旋转对称轴，因为这个堆砌体是由2种结构单元按一定规律堆砌的，所以没有长程平移对称性，却具有准周期性。用这种三维Penrose堆砌体模型描述一些过渡族元素的准晶体系，计算得到的准晶点常数与由衍射图谱得到的实验数据相当吻合。
准晶的缺陷
相对于理想的准晶模型，实际准晶体的结构是相当不完善的。它们的衍射峰宽度都比较大，与理论计算数值的位置比较常常发生偏移。这种结构缺陷主要可分为声子(phonon)、相子(phason)和位错(dislocation)三类。
（1）组成准晶体的粒子会偏离平衡位置作小幅振动引起格波(lattice
wave)，这种格波的量子称为声子，会产生位移场，导致准晶密度的相位改变，在倒易空间就引起Bravai峰位的移动和变宽。（2）相子是用来描述准周期结构引起准晶密度波相位改变的另一个变量，它描述了准周期结构拼块的错排，也就是指理想完整拼砌中的某些局部区域出现违反确定排列规律的现象。引入一个矢量描述由于错排引起的密度波的相对相位变化，该矢量的微分称为相子。（3）借助于显微技术分别在铝—锰—硅和铝—锂—铜的二十面体准晶中获得了位错的高分辨电子显微象和衍射象。证实了位错现象也存在于准晶中。准晶位错周围分布着许多分立的的错排点，也即相子应变场，它们的运动或消失都以高温扩散方式进行。所以准晶位错的可动性比晶体位错的可动性要低得多。
最后，简单介绍一下准晶体的应用。
（1）准晶材料在表面改性材料中的应用
将准晶材料以涂层或薄膜的形式涂覆于其它材料的表面，主要利用它的不粘性、耐热、耐磨、低的摩擦系数、耐腐蚀及特殊的光学性能，来改变材料表面的性质，优化整体材料的性能。例如铝-钯-锰准晶的不粘性可以与聚四氟乙烯相比。此外采用铝-铜-铁准晶材料，加上铬元素以提高耐腐蚀性，采用热喷涂或等离子喷涂将该准晶粉末沉积在基体表面，以油浸入准晶孔隙形成油膜降其低表面能从而提高不粘性。
（2）隔热材料
在研究准晶的热导性时发现，由于准晶的电子传输过程与组成它的金属原子很不一样，其导热系数很小，比不锈钢要低一个数量级，因此可以用作隔热材料。如铝-钴-铬-铁准晶体系可以涂覆在航空镍基材料表面作为热障涂层。
（3）太阳能工业薄膜材料
准晶具有特殊的光学性能(高的红外传导率)和足够的热稳定性
(抗氧化及扩散稳定性)，可以应用于太阳热能工业,例如以铜为基底，将厚度约10nm
的铝-铜-铁准晶薄膜置于两层绝缘薄膜之间，构成多层结构，具有太阳能工业要求的选择吸收性质。
（4）准晶相作为时效强化相
例如新型马氏体时效钢(铁-镍-钼-铜-钛体系)，时效强化相是铁-铬-镍-钼-硅准晶，在475°C高温，时效4小时形成，经过1000小时仍保持稳定。可见准晶颗粒是热力学平衡析出的，该钢经回火处理后，其抗拉强度为
3000MPa，可以用作医疗外科器材。
（5）准晶纳米颗粒增强铝基合金
将纳米尺度的准晶颗粒（例如铝-铬-铯-钴体系和铝-锰-铯-钴体系等，准晶颗粒的尺寸为30到50nm）分布到铝基合金中，可以提高合金的拉伸强度、延伸率和高温强度。
（6）颗粒增强复合材料
增强颗粒为铝-铜-铁以及铝-铜-铬等准晶体系，基体材料包括金属材料(主要是铝基)和聚合物材料。可望用于轴承和齿轮等耐磨件。
（未完待续）
| 说说准晶体及其他（下）
时间: 2011-10-22 周六, 下午8:17 |
|
|
作者：断章师爷 在 芦笛自治区 发贴, 来自 海纳百川
说说准晶体及其他（下）
断章师爷
本文上半篇主要谈事，这下半篇想谈人。Dan
Shechtman是出生于特拉维夫的材料科学家，以色列理工学院材料科学教授。1982年4月8日，他发现了一种二十面体相，从而开拓了准周期晶体的新领域，因此荣膺2011年诺贝尔化学奖。
为此，有些国人很不忿。有惋惜中国科学家与诺贝尔奖又缘悭一面（曾荣昌：“我国材料科学家与2011诺贝尔奖化学奖擦肩而过”）；也有埋怨诺奖委员会有眼无珠（科学网：“准晶诺贝尔奖这次被中国科学家撞上了，但是被诺委会忽视了！！！”）；更有谴责诺奖委员会颁奖不公的（刘实：“准晶诺贝尔奖授给一个人不公平，应该同时给中国人”）。
今年国人为何如此群情激愤呢？其实也事出有因。那是因为已故的物理冶金和晶体学家郭可信院士（1923-2006）和他的团队确实在准晶领域中做出了不容忽视的成绩。1985年郭可信院士领导的研究组发现了五次旋转对称的钛-钒-镍二十面体准晶；1987年发现了八次旋转对称的钒-镍-硅和铬-镍-硅准晶体系；1988年发现了稳定的铝-铜-钴十次旋转对称准晶体系。此后，准晶研究在大陆材料科学领域中成了一门显学，郭院士本人也荣任过一届亚太电镜学会联合会主席。
这儿，我暂且把郭院士和义愤填膺的爱国人士放一放，先简短回顾一下Dan Shechtman是如何发现准晶的。
1982年D.Shechtman在急冷铝-锰合金中发现了五次对称衍射图,他无法解释这一现象，着了迷似地陷入了深沉的思考之中。当时，几乎所有
D.Shechtman的同事都认为这个结果其实只是晶体的孪生现象。然而D.Shechtman并不信服，研究组的领导要求他把这个问题搁在一旁另外开题，他却不肯放弃，仍孜孜以求地沉湎其中。结果开罪了领导，要求他离开研究小组。D.Shechtman不得不调到另一个研究小组，他继续寻求帮助和支持，却处处面对冷遇和嘲讽。甚至有人给了他一本教科书，当面翻开其中的一页要他认真复习一遍关于孪晶的那段文字。即使遭遇到这种难堪，D.Shechtman仍然坚信他的发现中蕴藏着一个尚不为世人接受的神秘世界。只有材料工程系的Ilan
Blech教授认真地倾听了他的唠叨，并建议两人合作，共同致力于他的发现。不久I.Blech就从五边形的对称现象发展出一个模型：在三维空间称之为二十面体的旋转对称，这是一个具有20个面积相等的三角形组成的几何体。1984年夏天，D.Shechtman应他的长期合作者美国国家标准局高级科学家J.W.
Cahn之邀去马里兰。D.Shechtman在那儿将他与I.Blech写的文章寄给《美国应用物理杂志》（Journal of Applied
Physics）。不久就收到编辑拒绝刊登的回信，因为物理学家不会对这样的文章感兴，建议他改投冶金杂志。（The article would not reach
the proper readers and suggested the auther send it to a metallurgical
journal）。D.Shechtman接受编辑的建议，改投《冶金学会刊》（Metallurgical
Transactions），文章倒是被接受了，但是搁置了将近一年都未曾发表。失望的D.Shechtman 去找J.W.
Cahn，后者起初也持保留态度，说这可能是五次孪晶，在金、银、金刚石、硅、锗中常见。可是许多现象还是解释不通。和D.Shechtman工作了一段时间后J.W.
Cahn就乐于和他一起讨论这个令他着迷又给他痛苦的发现。他们邀请法国晶体学家Denis
Gratias加盟，他是国际数学结晶学方面的权威（拙文上半部分依据的就是D.
Gratias的讲稿，他的正文不足30页，附录长达50多页，都是各种令人眼花缭乱的群算式和点阵图形）。他们三人经过多次讨论，做出了不少解释，但是因为与传统结晶学的周期性相矛盾，所以迟迟不敢发表。直到1984年秋D.
Gratias听到普林斯顿大学理论科学中心的P.J.Steinhardt介绍他在凝聚态物理中的计算结果，不但液体结构中近邻取向有序是二十面体对称，对于固体同样也适用。他们的信心这才大大增强，于是三人合作把原来的那篇文章进行改写，使之更其简洁完美。他们把I.Blech的名字列为第四个作者，然后送到《物理学评论通信》杂志。可能是添上J.W.
Cahn和D. Gratias大名的缘故，情况大为改善，提交后不久，在1984年11月《物理学评论通信》（PRL）53
卷20分册上就发表了D.Shechtman、I.Blech、D. Gratias和J.W.
Cahn四人联名的那篇“长程取向有序和没有平移对称性的金属相”。该文现在已被誉为开拓准晶纪元的文章。文章一经发表，反映如潮，世界各地的科学家都纷纷打电话或写信给D.Shechtman说“我们做过了，我们看到了你以前看到的。”
（We did it and we see what you saw.）在该文发表数月后召开的一次国际数学晶体学年会上占压倒多数的与会者讨论的是D.
Shechtman的文章。1986年，筹备召开了第一次专题讨论准晶的国际学术会议。那么多的研究者重复得到了D.
Shechtman的结果，这一事实使他感到既欣慰又困惑。为什么国际结晶学界如此长时间都回避准晶呢？除了从合作者那儿获取有力的支持外，D.
Shechtman需要对于他的发现进行一些认真的思索。他通过透射电镜进行了大量艰苦细致的深层次研究，而不是满足于寻找一些有用的急冷合金。同时，D.
Shechtman必须直面的还有一个仍然不相信他、讥嘲他、甚至攻击他的世界。反对者行列中有一位大名鼎鼎的L.Pauling，他是两次诺贝尔奖获得者。L.Pauling凭直觉“破译”过不少晶体结构，其中最出名的就是镁32(铝,锌)49。他在体心立方点阵的顶点上放一个空心的二十面体，再在20个三角形上放20个原子构成了一个有十二个正五角形的五角十二面体；再在这12个正五角形中心上放12个原子就构成了30个菱形组成的三十面体；每个菱形的两个三角形上放2个原子，这60个原子就构成了一个由正五角形和正六角形的组成的如C60那样的多面体；再在正五角形及六角形上放一个原子就构成大三十面体；所有这些不同的壳层都满足五次对称要求。这些大三十面体的体心立方排列就是镁32(铝,锌)49的结构。用这个模型计算出的X射线衍射强度与实验观察的结构相符。这篇传世的杰作，发表在1957年《结晶学报》（Acta
Crystallographica)上。可是在准晶发现后，L.Pauling却全力以赴地反对准晶，一而再再而三地说这是五次孪晶，不是准晶。L.Pauling在《自然》杂志（Nature)关于准晶的通讯中甚至斥责为“胡说八道”
(nonsense)，在《物理学评论通信》等杂志拒绝发表他的论文后，又在美国科学院院报(PNAS)上连篇累牍地鼓吹孪晶学说，作为院士他有权不经审查在院报上发表任何文章。L.Pauling坚信晶体具有周期性一说，因此就不能接受五次对称，尽管他搞了一辈子的五次对称结构单元而且是贡献极大的人。国人不知出于何种心理，将L.Pauling指责为学阀和学霸，好在他老人家早在17年前已升天国，这些谩骂声是听不到了。其实，他生前早已被国人斥责为“唯心主义在化学界中的代表”。关于L.Pauling在大陆的遭遇，在后面再介绍。
D.
Shechtman在《物理学评论通信》上发表的文章只是万里行程的第一步而已。在帮助他确认准晶样品以后，I.Blech就离开了以色列理工学院去硅谷从事微电子产品的开发。J.W.
Cahn成了国家标准技术所的荣誉研究员，并在1989年获得了美国国家科学奖。D. Gratias则是法国微结构实验室的常务主管。D.
Shechtman仍然留在理工学院，其中除了从事过5年将化学蒸汽沉积在金刚石方面的工作之外，他几乎把全部精力和时间都耗费在准晶的研究上。D.
Shechtman付出的心血得到了酬谢，从1986年获得
Friedenberg基金会颁发的高级科学和教学的物理学奖后，他先后获得了包括Wolf物理学奖、Rothschild
工程奖、以色列国家科学奖和欧洲材料研究学会奖等11项奖状。最后迎来了2011年的诺贝尔化学大奖。
在10月5日的诺贝尔化学奖新闻发布会上，瑞典皇家理工学院的Lars
Thelander教授宣布将2011年度的诺贝尔化学奖颁发给D.Shechtman的理由是 “发现了准晶”（for the discovery of
quasicrystals），接着他介绍道“……我们在准晶中发现了阿拉伯世界令人着迷的马赛克在原子层面上的再现:那些规则图案绝不重复它们自己。然而，在准晶中发现的这种组态被认为是不可能的，Dan
Shechtman不得不打了一场剧烈的战争来对抗公认的科学。2011年诺贝尔化学奖已经从根本上改变了化学家如何设想固体物质的。”（In
quasicrystals, we find the fascinating mosaics of the Arabic world reproduced at
the level of atoms: regular patterns that never repeat themselves. However, the
configuration found in quasicrystals was considered impossible, and Dan
Shechtman had to fight a fierce battle against established science. The Nobel
Prize in Chemistry 2011 has fundamentally altered how chemists conceive of solid
matter. ）。
综上所述，可见D.Shechtman折取2011年度的诺奖桂冠是实至名归。因为他荣膺的诺奖“从根本上改变了化学家如何设想固体物质的”，这完全符合A.B.诺贝尔先生的遗愿：“在化学上有最重大的发现或改进的人”（the
person who shall have made the most important chemical discovery or
improvement）。
现在回过来将郭院士率领的团队取得的成绩与国际同行比较一下，是很有意思的。郭可信和Zhang，Z.等发现钛-钒-镍五次对称电子衍射图是在1984年11月，文章发表已经是1985年了。D.Shechtman发现铝-锰五次对称电子衍射图是在1982年4月8日，他将结果保留在一个记事本中，文章则在1984年11月发表。也就是说郭院士他们的发现比D.Shechtman整整晚了2年。郭可信和Wang，N.等发现八次旋转对称的准晶体系是在1987年，然而瑞士的T.Ishimasa,则在1985年就发现了镍-铜准晶体系的十二次旋转对称。郭可信和He,
L.X.等1988年发现了铝-铜-钴十次旋转对称的稳定准晶体系，日本东北大学的蔡安邦则在1987年发现了铁-铜-铝二十面的稳定准晶体系。后者在诺委会的评审报告中被称为“成功确定准晶结构的一个非常重要的因素”。可见在准晶领域发展历史的每一个里程碑式突破上，郭院士他们总是稍稍“滞后”于国际同行一步。篡改一下Neil
Armstrong的那句名言：这是准晶实验竞赛中相差的一小步，却是准晶历史发展上相距的一大步。打个比方来说，在百米决赛中紧随Usain
Bolt越过冲刺线的那一二位选手尽管成绩也很抢眼，欢呼和掌声却与他们基本无缘，势利的记者们更不肯把闪光灯稍稍移动一下去关注他们的。
那么，诺委会把奖金给D.Shechtman一个人是否对中国人歧视呢？倘若同时颁发给几个人的话，中国人轮得到吗？且不说郭可信院士去世已经5年，即使他还健在的话，分享诺奖的机会恐怕也不大。不说别人，至少I.Blech、D.
Gratias和J.W.
Cahn这三人就都有资格享受准晶发现者的荣耀。此外，P.J.Steinhardt的理论工作绝对是创立准晶概念的指路明灯。其实他的主要兴趣在粒子理论和宇宙起源，他是那两个领域中的佼佼者。他和D.
Levine两人对准晶体系进行了深入的理论研究，从数学和物理两个方面对了解这一全新的体系作出了不可磨灭的贡献。为此他获得了美国物理学会颁发的2010年度的
Oliver Buckley
奖。P.J.Steinhardt对于准晶领域的贡献绝对是出类拔萃的。准晶这个术语就是他提出来的，然而，D.Shechtman本人并不喜欢准晶这个术语，希望称之为准周期材料。准晶的定义是“一类具有介于晶体的有序结构和气体的无定型结构之间的不规则的重复的原子结构排列特征的固体物质。”
（a class of solid materials characterized by an irregular, repetitive structural
arrangement of atoms that is intermediate between the orderly structure of a
crystal and the amorphous structure of a glass）。
所以国人在网络上发泄的情绪是否值得认真关注，就见仁见智了。
下面想谈谈L.Pauling
“在中国”的遭遇。L.Pauling（1901—1994）是著名的量子化学家，他在化学的多个领域都有过重大贡献。曾两次荣获诺贝尔奖（1954年化学奖，
1962年和平奖）。他自1930年代开始致力于化学键的研究，1939年出版了在化学史上有划时代意义的《化学键的本质》一书。这部书彻底改变了人们对化学键的认识，将其从直观的、臆想的概念升华为定量的和理性的层次，在该书出版后不到30年内，共被引用超过16000次，至今仍有许多高水平学术论文引用该书观点。由于L.Pauling在化学键本质以及复杂化合物物质结构阐释方面杰出的贡献，他赢得了1954年诺贝尔化学奖。
L.Pauling出生在Portland市的中国城旁，2岁就学会用中文从1数到10，对中国的算盘也十分好奇。1939年，他在加州理工学院任化学系主任期间，卢嘉锡(前中国科学院院长)是他的科研助手。L.Pauling生前曾两次访问过中国。第一次是在1973年9月，当时正值文革中美关系解冻时期。这是一次民间性质的访问，由中科院副院长吴有训教授出面邀请。1981年80岁高龄的L.Pauling第二次到了中国，参加在天津举办的国际营养学学术会议，并访问了北大。
然而，早在1950年代初期，中国化学界对于L.Pauling的名头就很熟悉了，那时他尚未获得诺贝尔化学奖。之所以出名是因为他提出的共振理论被当作了伪科学的典型。将近半个世纪前，我在大学二年级的有机化学教科书介绍苯分子的结构时就被告诫共振论带有唯心主义色彩。共振论是化学中表示分子结构的一种方法，是价键理论的重要组成部分。该理论认为，对于无法用一个经典结构式来表达的分子、离子或自由基，可以通过若干经典结构式的共振来表示。共振中的结构并不存在，真实粒子也并非这些共振结构的混合物或平衡体系，只是因为价键理论中无法用单一结构式来准确表达物质的结构，所以借助共振的概念。这个概念由L.Pauling在1928年提出，“共振”一词（Resonance）来源于用量子力学法处理氢分子时，产生的两个耦合振子的经典系统。
由于意识形态的不同，苏联科学界从四十年代起就开始了一场对“资产阶级科学”的批判。当时批判的主要对象有：生物学中Morgan
的基因论、物理学中的“量子力学唯心理论”、化学中L.Pauling的共振论及工程学中Wiener的控制论等。批判的高潮阶段为1951年苏联科学院化学部的“有机化学中化学结构理论问题讨论会”。当时的中国紧随其后，也陆续开展肃清资产阶级科学的活动。始作俑者是中宣部原副部长、中央党校原副校长龚育之。他不仅翻译了凯德洛夫的
“反对有机化学中的唯心论和机械论” 一文，还亲自撰写了“反对化学中的唯心论和机械论：苏联科学界讨论有机化学中化学构造理论问题的情况和意义”方舟子写的“伪科学之争
妖魔化何祚庥院士的背后”文中为何院士辩护：“如果说批基因论还与何祚庥沾了点边的话，批‘共振论’则纯属污蔑”。然而，龚育之的访谈录中却回忆到是何祚庥去找他，让他写一篇文章批评共振论，他就答应了。文章中的观点，一些是他自己的，一些则是同何祚庥讨论之后提出来的。
《科学通报》1952年第3期发表的“苏联化学界对化学构造理论‘共振学说’的批判”专集。专集收录了“有机化学中化学构造理论问题讨论会底决定”和“有机化学中化学构造理论问题全苏联讨论会述评”，幷转载了“反对有机化学中的唯心论和机械论”和“论化学中的一种马赫主义理论及其宣传者”等具有代表性的批判文章。专集概述了讨论会的主要情况和此前“化学构造理论问题讨论”的大致过程；认为共振论具有“机械还原论”和“马赫主义唯心论”的哲学特征，是“反动”的理论。
1953年中国化学会召开了““有机化合物结构理论讨论会”，筹备小组在《化学通报》上发表了《有机化合物结构理论讨论会总结》。自然这不是一场“讨论会”，而“整风会”和“批判会”。在这样的一种政治环境下，为共振论辩护，将要承受多少附加的政治风险？不能以无名小卒自居的大化学家们，自然不能简单选择沉默的。量子化学家唐敖庆撰写了“肃清化学构造理论中的唯心主义”，他以化学教授的身份阐述了自己对于苏联化学批判的看法，幷按照思想改造的要求表明了自己支持苏联批判共振论的立场。结构化学家徐光宪教授也发表了“中介共振论的批判”，这篇文章认为
共振论是“主观虚构”，具有“唯心论实质”；共振论的方法论基础是马赫的“思维经济”原则；它是“化学中的马赫主义”，共振论的危害性不仅在于“妨碍了分子结构理论的健全发展”，而且还在于“和其它各门科学中的唯心论共同组成了一个反动战线，来反对唯物论。”
然而，该文同时大篇幅地介绍了共振论的主要内容，事实上是一篇难得的学习共振论的普及教材。物理化学家黄子卿教授在回国前是研究金属键的，这个研究跟共振论有联系，他当时研究的这个方向正处于科学的前沿。回国后碰上批判共振论，觉得不好再继续这个研究了，就搞别的去了。
以上东搜西罗了一些资料，胡乱捏合成篇，就此带住吧。
（全文完） |
|
|
|
No comments:
Post a Comment