诺贝尔化学奖:“准晶体”终获得主流学术界认可
另类的“准晶体”用途广泛
根据传统晶体学认知,晶体内部的原子排列具有3次、4次和6次对称性。以4次对称为例,即每个原子被4个原子包围,若在中心画一条直线,每转90度就会重复一次。这些原子排列再按一定规律重复就构成晶体。但5次、7次及以上的对称因无法做到重复,因此,科学界一直认为,自然界中不可能存在这种晶体。
美国《纽约时报》网站10月5日的报道称,1982年,谢赫特曼在进行“衍射光栅”实验时,让电子通过铝锰合金进行衍射,结果发现无数个同心圆各被10个光点包围,恰恰就是一个10次对称。谢赫特曼当时认为“这是不可能的”,还在笔记本上写道:“10次?”
然而,1987年,法国和日本科学家成功地在实验室中制造出了准晶体结构;2009年,科学家们在俄罗斯东部哈泰尔卡湖获取的矿物样本中发现了天然准晶体的“芳踪”,这种名为icosahedrite(取自正二十面体)的新矿物质由铝、铜和铁组成;瑞典一家公司也在一种耐用性最强的钢中发现了准晶体,这种钢目前被用于剃须刀片和眼科手术用的手术针中。
其实,这些图案早已有之。科学家们在14世纪摩尔人于西班牙建立的阿尔汉布拉宫和15世纪修建的伊朗Darb-i Imam清真寺内都发现了这种图案,它们也大量出现在荷兰画家摩里茨·科奈里斯·埃舍尔的艺术作品中。不过,科学家们一直认为晶体的原子结构不可能以这种方式排列,谢赫特曼的发现彻底颠覆了人们的这一认知。
这种准晶体也同斐波那契序列有关,在斐波那契序列中,每个数字是前面两个数字之和。1753年,格拉斯哥大学的数学家罗伯特·辛姆森发现,随着数字的增大,两数间的比值越来越接近黄金分割率(一个与圆周率相类似的无限不循环小数,其值约为1.62)。科学家们后来也证明,准晶体中原子间的距离也完全符合黄金分割率。
据英国《新科学家》网站10月5日报道,准晶体具有独特的属性,坚硬又有弹性、非常平滑,而且,与大多数金属不同的是,其导电、导热性很差,因此在日常生活中大有用武之地。科学家正尝试将其应用于其他产品中,比如不粘锅和发光二极管等。另外,尽管其导热性很差,但因为其能将热转化为电,因此,它们可以用作理想的热电材料,将热量回收利用,有些科学家正在尝试用其捕捉汽车废弃的热量。
“准晶体的应用还有待于进一步开发。”谢赫特曼爱荷华州立大学的同事、同样研究准晶体的派翠西亚·泰尔接受《纽约时报》采访时表示,“但准晶体改变了我们对固体中原子结构的理解,这是一个具有革命性的科学发现。”
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