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yalefield金蟲 (文壇精英)
老漢一枚
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準(zhǔn)晶：開除、胡說與擦肩而過 已有15人參與
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準(zhǔn)晶：被雙料諾獎得主鮑林斥為Nonsense的偉大發(fā)現(xiàn) 黃秀清 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=480705&do=blog&id=383415 重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往是偶然的，有時候還需要運氣，原始創(chuàng)新思想，不是靠智者們指南規(guī)劃出來，更不是靠金錢燒出來，它或許僅僅是平凡者的神來之筆？創(chuàng)新需要勇氣，是你死我活的戰(zhàn)爭，不是你不幸被權(quán)威踩死，就是你把權(quán)威拉下神壇，不要迷信權(quán)威，知識越多越糊涂，威望越高越保守。 一. 神秘的對稱性 在自然界中，很多固體物質(zhì)都是以晶體的方式存在，它們在宏觀上表現(xiàn)出特定的對稱性。早在十九世紀(jì)，德國科學(xué)家就總結(jié)并通過數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明，為了滿足晶體的平移對稱性（長程序），晶體只能出現(xiàn)n=1、2、3、4、6等五種旋轉(zhuǎn)對稱軸(相應(yīng)的轉(zhuǎn)角為2π/n)，不可能出現(xiàn)n=5和n>6次的對稱軸。這種抽象的數(shù)學(xué)描述可以通過下圖進(jìn)行直觀的描述，它們分別表示用平行四邊形、長方形和正3-8多邊形“元胞”鋪平面空間，不難看出，1-4和6次旋轉(zhuǎn)對稱的圖能夠無間隙、不重疊地鋪滿整個平面空間，但5、7和8次對稱的多邊形不能夠做到這一點。在晶體結(jié)構(gòu)中不允許出現(xiàn)5次和6次以上的旋轉(zhuǎn)對稱性，這是被寫進(jìn)教科書的國際學(xué)術(shù)界主流觀點，一百多年來沒有人去懷疑它的正確性，即使在實驗中偶然發(fā)現(xiàn)那些被理論禁止的晶體對稱結(jié)構(gòu)，人們首先懷疑的是實驗的可靠性，而不是理論是否有問題。 【思考一：主流學(xué)術(shù)界公認(rèn)的就是真理嗎？數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明的就是正確嗎？】 二. 數(shù)學(xué)游戲 數(shù)學(xué)家才不管具體的晶體對稱性，他們可以像小孩一樣玩拼圖游戲。進(jìn)入20世紀(jì)，很多人對“非周期的平面鋪砌”產(chǎn)生興趣，所謂非周期鋪砌（后來被稱為準(zhǔn)周期鋪砌），是指鋪砌的圖形整體喪失平移對稱性（沒有長程序），但圖形整體存在某種旋轉(zhuǎn)對稱性（取向序）。人們首先考慮的是如何拼出具有五次旋轉(zhuǎn)對稱性的平面圖形，數(shù)學(xué)家起初證明要實現(xiàn)這個目的，必須用20426種不同現(xiàn)狀的花磚！后來證明只需104種，1971年進(jìn)一步減少到下圖a的6種，1974年P(guān)enrose證明用72°和36°的兩種菱形，按照一定的銜接規(guī)則就可以實現(xiàn)具有5次旋轉(zhuǎn)對稱的非周期鋪砌，如下圖b所示。陸續(xù)有研究者對其它旋轉(zhuǎn)對稱性的圖形實現(xiàn)了非周期鋪砌，如圖c的八次對稱性和圖d的十二次對稱性。在興趣驅(qū)動下，數(shù)學(xué)家還發(fā)展了多種能直接產(chǎn)生非周期鋪砌的方法，比如，高維空間投影法，對偶方法，自相似膨脹法等等。1995年德國科學(xué)家提出覆蓋理論，該理論設(shè)想用一種畫有特殊圖案的花磚（如圖e所示的綠色邊框十邊形）實現(xiàn)非周期鋪砌，這個理論結(jié)果后來被很多實驗驗證。 基于二維的Penrose拼砌，Steinhardt把游戲玩到三維空間，他發(fā)現(xiàn)利用三基矢夾角分別為63.43°和116.57°的兩種菱形六面體（如下圖所示），可以構(gòu)造出三維的Penrose準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)。選擇不同的構(gòu)造方式，可得如圖所示的正五邊形十二面體、正三角形二十面體和菱形三十面體等結(jié)構(gòu)，雖然它們外觀不同，但它們擁有完全相同的旋轉(zhuǎn)對稱性（六個5次軸、十個3次軸和十五個2次軸），由于它們都包含傳統(tǒng)晶體理論所不允許的5次軸，晶體學(xué)家認(rèn)為這些對稱結(jié)構(gòu)不過是數(shù)學(xué)游戲。事實上，這樣的對稱結(jié)構(gòu)不僅存在于人們的日常生活中（如足球）還存在于自然中（如下圖的碳60和病毒）。 【思考二：我們?yōu)槭裁床荒苡猛娴男膽B(tài)玩科學(xué)？當(dāng)所有人拼熱點、前沿，追SCI、影響因子，爭科研經(jīng)費、項目的時候，不妨靜下心來玩玩科學(xué)！】 三. 準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn) 1982年，兩位主要從事航空用高強(qiáng)度鋁合金研究的以色列科學(xué)家Shechtman和Blech，又是以色列人！他們無意中在急冷Al6Mn合金中發(fā)現(xiàn)五次對稱衍射圖，由于兩人的晶體學(xué)基礎(chǔ)一般，就到處請教晶體學(xué)專家，專家們認(rèn)為那不過是晶體學(xué)中常見的五次孿晶，抱著試試看的態(tài)度，他們還是決定把文章寄到美國《應(yīng)用物理雜志》，不幸被不識貨的雜志編輯直接退稿。 成名后的Shechtman對此事仍耿耿于懷，他作學(xué)術(shù)報告時，總喜歡把那封退稿信作為第一張透明片，來諷刺那位有眼無珠的編輯。 后來他們又去請教法國CNRS冶金化學(xué)研究所的D. Gratias，由于實驗結(jié)果與傳統(tǒng)晶體學(xué)的周期性相矛盾，Gratias認(rèn)為很難被主流接受發(fā)表。 1984年秋，Gratias在加州大學(xué)的一次理論物理討論會中聽了Steinhardt的報告，發(fā)現(xiàn)他們關(guān)于二十面體理論模型的衍射花樣（下圖左）與Shechtman等人的實驗結(jié)果（下圖右）完全一致，兩人會后這么一碰，火花就出來了，他們決定把理論和實驗結(jié)果同時寄到物理學(xué)最權(quán)威的 Physical Review Letters，獨具慧眼的編輯讓兩篇文章以最快的速度先后發(fā)表，從此準(zhǔn)晶（Quasicrystal）這個新名稱誕生了。 Shechtman也因為準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)，獲得了除了諾貝爾獎之外的幾乎所有科學(xué)獎勵。 準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了上世紀(jì)八十年代全球性的準(zhǔn)晶熱，中日美成為引領(lǐng)準(zhǔn)晶研究的三駕馬車，各種準(zhǔn)晶材料和結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)（下圖分別是三十面體和十二面體準(zhǔn)晶），當(dāng)然，也有不少研究者“頓足捶胸”，這不是自己N年前就發(fā)現(xiàn)的東西嗎？ 準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)也刺激了某些權(quán)威的神經(jīng)，以雙料諾貝爾獎獲得者鮑林（Pauling：1954年諾貝爾化學(xué)獎，1962年和平獎，1995年去世）為代表的保守勢力，要誓死捍衛(wèi)傳統(tǒng)晶體理論的“純潔性”，他們認(rèn)為所謂準(zhǔn)晶就是眾人皆知的孿晶，在Nature發(fā)文用“Nonsense”這個詞形容準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)，并利用自己的特殊身份在美國科學(xué)院院報上連發(fā)檄文，歇斯底里地反對準(zhǔn)晶，可嘆，老先生晚節(jié)不保。 【思考三：重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往是偶然的，不是科學(xué)指南可以規(guī)劃出來的，也不是用錢可以換來的，把科學(xué)創(chuàng)新的希望和賭注完全壓在那些欽定的人才身上，是極其不科學(xué)。權(quán)威是過去時，權(quán)威人士有時候是阻礙科學(xué)創(chuàng)新的最大阻力和絆腳石，要創(chuàng)新不要迷信權(quán)威，這一點以色列人比我們強(qiáng)多了！】 四. 中國人的貢獻(xiàn) Shechtman等人的文章是1984年11月12日刊登出來，幾乎是同時，我國著名科學(xué)家郭可信院士手下大將張澤，在過渡族金屬合金中也獨立地發(fā)現(xiàn)了五次對稱電子衍射圖，不過遺憾地與“第一名”擦肩而過。 可是我在想，如果沒有以色列科學(xué)家鍥而不舍的努力，中國人的首次發(fā)現(xiàn)能被承認(rèn)和發(fā)表嗎？ 在郭可信先生的領(lǐng)導(dǎo)下，他的學(xué)生還先后發(fā)現(xiàn)了二維八次對稱準(zhǔn)晶和十二次對稱準(zhǔn)晶，并在國際上首次生長出毫米級的十次穩(wěn)定準(zhǔn)晶單晶。郭可信院士的研究團(tuán)隊因發(fā)現(xiàn)五次對稱及Ti2Ni準(zhǔn)晶獲得1987年國家自然科學(xué)一等獎，他的四位學(xué)生也因為相關(guān)研究先后榮獲第一和第二屆吳健雄物理獎。 準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)造了中國科學(xué)的一個奇跡，被認(rèn)為是真正達(dá)到國際水平的一項研究，這個項目的研究不僅培養(yǎng)了一大批青年科學(xué)家，還“培養(yǎng)”了四位中國科學(xué)院院士，他們是葉恒強(qiáng)、李方華、張殿林和張澤院士。 奇跡的創(chuàng)造絕非偶然的，郭可信院士曾經(jīng)用“四十多年前播下的種子，四十年后才收成”來描述創(chuàng)造奇跡的艱難歷程，本人曾有機(jī)會見到郭先生親手繪制的一張“秘密作戰(zhàn)圖”，對手下學(xué)生進(jìn)行了科學(xué)部署和周密安排，對具體的合金成分和可能產(chǎn)生的準(zhǔn)晶相都進(jìn)行了詳細(xì)說明，他的一位學(xué)生是這樣評價的：“郭先生不會幫你挖金子，不過他會告訴你金礦在哪里！” 【思考四：在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，中國人為什么總是與“第一”擦肩而過？在不少研究領(lǐng)域，我們已經(jīng)達(dá)到可以跟蹤國際熱點的水平，可我們什么時候可以創(chuàng)造研究熱點，讓外國人來跟蹤？國家科研基金在支持開展國際前沿課題研究的同時，如何支持那些由中國人創(chuàng)造、將來有可能成為國際前沿的研究課題？】 準(zhǔn)晶之謎還沒有完全被揭開，特別在二維準(zhǔn)晶中，八次、十次和十二次等偶數(shù)對稱性的準(zhǔn)晶先后被發(fā)現(xiàn)，奇怪的是，五次（它與二十面體的五次對稱性不同）、七次、九次、十一次等奇數(shù)對稱性的二維準(zhǔn)晶一直沒有被發(fā)現(xiàn)。十幾年前本人曾考慮過這個問題，并與郭可信先生進(jìn)行過討論，我認(rèn)為這種奇、偶對稱性不守恒是自然界所固有的，郭先生傾向于將來會在實驗中發(fā)現(xiàn)奇數(shù)次的二維準(zhǔn)晶，不過，他認(rèn)為如果能夠從理論上嚴(yán)格證明這種對稱的不守恒性，應(yīng)該是非常重要的工作，雖然本人已不再從事這方面的研究，時不時還在琢磨這個至今未解的自然之謎。 [ Last edited by yalefield on 2011-10-7 at 12:07 ] |
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郭可信：五重旋轉(zhuǎn)對稱和二十面體準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn) http://www.synl.ac.cn/historyt.asp 我早年曾在歐洲從事過近10年的合金鋼中的碳化物及合金相研究，除了Χ射線衍射外，還使用過當(dāng)時還算比較新穎的電子顯微鏡。在1953年曾在Acta Metallurgica發(fā)表了3篇有關(guān)ηM6C，η2-（Ti,Ta）4Ni2C，Laves相和sigma相的論文。這些合金相的晶體結(jié)構(gòu)中都有眾多稍微畸變了的二十面體原子團(tuán)簇。正二十面體是由20個正三角面圍成的凸正多面體，5個正三角面圍出一個正五重頂，通過每一對相對著的五重頂有一個五重旋轉(zhuǎn)對稱軸，通過每一對相對著的三角面中心有一個三重旋轉(zhuǎn)軸；通過每一對相對著的棱的中點有一個二重旋轉(zhuǎn)軸。二十面體點對稱群的符號是235，立方晶系中四面體點對稱群的符號是23，前者的對稱性比后者高的多，相當(dāng)于5個23點群對稱地交叉在一起。 1956年春天，我在海牙讀到周總理“向科學(xué)進(jìn)軍”的號召，深受感動，在五一節(jié)前回到北京，隨后分配到金屬研究所，直到1987年才轉(zhuǎn)到新成立的北京電子顯微鏡開放實驗室。前后在沈陽工作31年，時間不算短，又正值壯年。本應(yīng)有所作為，但是生不逢時，前后趕上“大躍進(jìn)”和“文化大革命”兩次大動蕩，我的基礎(chǔ)研究一直沒能在祖國大地扎根。 幸好在打倒四人幫后迎來了科學(xué)的第二個春天，我才得以在1983年60歲時重新開始合金相的電子顯微鏡研究。我與葉恒強(qiáng)、李斗星同志合作在鎳基和鐵基合金中發(fā)現(xiàn)了一系列與sigma相和Laves相有關(guān)的四面體密堆合金相。 我的研究生王大能在1984年夏在這些合金相的納米疇中發(fā)現(xiàn)了五重旋轉(zhuǎn)對稱，張澤在1985年春發(fā)現(xiàn)了Ti-V-Ni二十面體準(zhǔn)晶。我們五人共同的研究成果“五次對稱性及Ti-Ni準(zhǔn)晶相的發(fā)現(xiàn)與研究”在1987 年獲得了國家自然科學(xué)一等獎。我總算在過了花甲之年后才做出一點成績，以謝國人，也有了一些值得回憶的事。 大約是在1980年的一天，王元明同志從北京回來對我說，他從中國科學(xué)院進(jìn)口裝備處了解到院里準(zhǔn)備引進(jìn)一兩臺電子顯微鏡。我隨即去北京活動，向郁文秘書長立下軍令狀，保證在電鏡安裝后三年內(nèi)做出出色成績，就這樣決定為金屬研究所訂購一臺當(dāng)時分辨率最高的JEM200CX透射電子顯微鏡。同時積極培養(yǎng)科研骨干。 除了組織大家系統(tǒng)學(xué)習(xí)電子衍射動力學(xué)理論和高分辨電子顯微鏡成像理論外，還安排葉恒強(qiáng)先后去美國和比利時師從Cow1ey及Amelinckx，關(guān)若男去日本師從Hashimoto，李斗星去瑞典師從Andersson，喬桂文去劍橋大學(xué)師從Howie，學(xué)習(xí)高分辨電子顯微學(xué)。我和葉恒強(qiáng)、吳玉琨合著的《電子衍射圖》也在1983年出版（科學(xué)出版社）。 從日本引進(jìn)的電鏡也在1983年初調(diào)試好，就安排十幾位研究生使用這臺電鏡做學(xué)位論文工作。大家排隊一天三班倒使用這臺電鏡，實驗室在夜里總是燈火輝煌，熱鬧非常。據(jù)統(tǒng)計，那幾年這臺電鏡加高壓的運轉(zhuǎn)時間每年多達(dá)5000多小時，平均每天工作十幾個小時，幾乎每天都會有一些新結(jié)果，我也經(jīng)常處于興奮狀態(tài)。 至今我仍很懷念那時上下一心、忘我獻(xiàn)身的精神。李斗星曾對我說過，有時忙了一夜，毫無結(jié)果，天已朦亮，人也疲憊不堪，眼睛酸疼，準(zhǔn)備停機(jī)。但又不忍就此罷手無功而返，就又堅持一段。幾經(jīng)反復(fù)，終于在天大亮?xí)r找到一些新鮮結(jié)果，頓時喜出望外，所有的疲憊一下子都飛到九霄云外去了。這些經(jīng)驗告訴我們，堅持到最后一刻往往會得到意想不到的回報。 與基礎(chǔ)研究告別了1/4世紀(jì)后，一時不知從何下手，于是我們就在材料科學(xué)這個戰(zhàn)場上擺開一條寬廣的戰(zhàn)線。由葉恒強(qiáng)帶領(lǐng)張澤、張錦平、王大能做合金相研究；吳玉琨，黑祖昆帶領(lǐng)賴宗和、郭永翔、蔣維吉做非晶態(tài)研究；李斗星帶領(lǐng)秦祿昌、李膺海、張京做半導(dǎo)體研究；鄒本三帶領(lǐng)王巖國做礦物研究；關(guān)若男帶領(lǐng)關(guān)慶豐做氧化物研究；喬桂文帶領(lǐng)王龍做催化劑研究；楊奇斌帶領(lǐng)王曾楣做高維晶體學(xué)的研究；王元明帶領(lǐng)曲華、陳江華做電子模擬像計算；我自已帶著張衛(wèi)平做有機(jī)分子的研究。浩浩蕩蕩地開始了大規(guī)模的電鏡“普查”。 到了1984年夏，這些工作都取得一些進(jìn)展，我們在1984年發(fā)表了7篇論文，另有7篇在印刷中。根據(jù)這些內(nèi)容我和葉恒強(qiáng)主編了一本《高分辨電子顯微學(xué)在固體科學(xué)中的應(yīng)用》（科學(xué)出版社，1985）。 研究工作中意義較大的結(jié)果有兩方面。一是葉恒強(qiáng)和李斗星在鎳基和鐵基高溫合金中發(fā)現(xiàn)了一些新的四面體密堆相（在高溫合金界稱拓?fù)涿芏严�，在物理界稱Frank-Kasper相）和它們的疇結(jié)構(gòu)。Laves相和μ相的不同相疇中的五角反棱柱（二十面體去掉上下兩個五重頂）有相同取向，我們寫了一組3篇論文投Phi1osophical Magazine。二是吳玉琨和黑祖昆在非晶合金晶化過程中發(fā)現(xiàn)一些亞穩(wěn)相。到了這年秋天，王大能在葉恒強(qiáng)指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了一個新的四面體密堆相—C相，其電子衍射圖列的衍射斑點構(gòu)成一個二維點列，周圍有10個呈五重旋轉(zhuǎn)對稱的強(qiáng)斑點。隨后又發(fā)現(xiàn)Laves相和μ相的電子衍射圖也有此現(xiàn)象。中間的二維點列是晶體的正常衍射現(xiàn)象，反映這個合金相的周期性特征。周圍的10個五重旋轉(zhuǎn)對稱的斑點是 “反�，F(xiàn)象”，顯示其非周期性特征。這是實驗觀察上的一個突破，值得進(jìn)一步推敲，把感性認(rèn)識上升為理性認(rèn)識。 經(jīng)過認(rèn)真分析，我們認(rèn)為這是這些合金相中的不同相疇（取向差為720）中的五角反棱柱有相同取向的緣故。為了驗證這個假想，計算了單個五角反棱柱的傅里葉變換，得出的最外圈的10個呈五重旋轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)衍射斑點與實驗觀察得到的周圍的10個電子衍射斑點相重。 我們在1984年底寫了一篇“正空間與倒易空間中的五重對稱”論文投寄給 Ultramicroscopy，于1985年刊出。 此外我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)四面體密堆相的疇結(jié)構(gòu)小到納米尺寸時，電子衍射圖中竟沒有顯示周期晶體結(jié)構(gòu)的二維周期衍射點列，所有衍射斑點都呈五重旋轉(zhuǎn)對稱，因此它們的分布也是非周期性的。這一現(xiàn)象引起我們很大的興趣。將這些合金相熔化后再急冷凝固，會不會得到單個的五角反棱柱呢？ 為此，最好選一種既與四面體密堆相的成分相近又有生成非晶傾向的合金。我就此事與當(dāng)時正在做非晶態(tài)晶化的吳玉琨和黑祖昆討論，并參考一篇Rong Wang（不是我的研究生王蓉）撰寫的論文，其中有Ti2Ni，NiMo，NiNb生成非晶的傾向比較強(qiáng)的報道，當(dāng)即決定選用Ti2Ni，NiMo，NiNb及NiZr合金做這個實驗。當(dāng)時張澤正在做（Ti,V）3Ni長周期結(jié)構(gòu)的碩士學(xué)位論文，由他做（Ti,V）2Ni合金急冷凝固的研究，蔣維吉做NiZr等合金急冷凝固的研究。到了1984年底，張澤先后得到（Ti0。9Vo。1）2Ni及Ti2Ni 的五重旋轉(zhuǎn)非周期電子衍射圖，與我們預(yù)期相符。蔣維吉也得到了一種五重旋轉(zhuǎn)對稱的電子衍射圖，但高分辨電子顯微像指出它是正交NiZr相的五重旋轉(zhuǎn)孿晶。 1985年初張澤去上海硅酸鹽研究所做大角度傾轉(zhuǎn)電子衍射實驗，除了得到五重對稱電子衍射圖外，還得到了三重及二重對稱電子衍射圖，這些軸之間的夾角關(guān)系符合二十面體對稱。就在這個時候（3月13日），我在北京鋼鐵學(xué)院的研究生鄒進(jìn)寄來Shechtman等在1984年11月12日在《物理評論快報》上發(fā)表的論文“一種具有長程取向序而無周期對稱性的金屬相”的復(fù)制件。 這篇文章中敘述的合金是A1-16原子％Mn，急冷凝固后給出五重、三重、二重電子衍射圖，而這些五重軸、三重軸、二重軸間的角度關(guān)系滿足二十面體點群235的要求。稍后，這種金屬相就被命名為準(zhǔn)晶體（Quasiperiodic Crysta1），簡稱準(zhǔn)晶（Quasicrystal）。 顯然，Shechtman等與我們做的是同一類實驗，他們用的是A1-Mn合金,我們用的是Ti-V-Ni合金，他們發(fā)表在前，我們發(fā)表在后。事后我才知道,Shechtman在1982年為了發(fā)展高強(qiáng)度鋁合金，采用急冷凝固的工藝迫使更多的錳固溶在鋁中（錳在5000C時在鋁中的固溶度僅為0.2原子％）。那時他就得到了五重對稱電子衍射圖，為此，他請教了冶金學(xué)權(quán)威J.W.Cahn，得到的答復(fù)是這是五重孿晶的復(fù)合電子衍射圖。Shechtman沒有被說服，繼續(xù)做細(xì)致的電鏡實驗才在1984年肯定它是二十面體準(zhǔn)晶。 當(dāng)然，我們的Ti-V-Ni二十面體準(zhǔn)晶是獨立的發(fā)現(xiàn)，并且是首次在Ti合金中的發(fā)現(xiàn)。 值得指出的是，我們發(fā)現(xiàn)Ti-V-Ni準(zhǔn)晶的過程中并沒受到五重孿晶這種想法的干擾，因為蔣維吉同時已經(jīng)得到NiZr五重孿晶，它的高分辨像與張澤得到的Ti-V-Ni準(zhǔn)晶的高分辨像（經(jīng)鄒本三同志做過圖像處理）不一樣。前者顯示取向差為720的5個二維周期分布的像點，后者是呈五重旋轉(zhuǎn)對稱的非周期分布的像點。我們寫了“一種新的具有m3 5對稱的二十面體相”，和“急冷NiZr合金的十重孿晶”兩篇簡報在1985年的同一期Phi1osophica1 Magazine A中刊出。兩相對應(yīng)，說服力很強(qiáng)。 Shechtman的合作者Gratias稱我們的Ti-V-Ni準(zhǔn)晶為中國相（China Phase），并邀請我去參加他在法國組織的第一屆國際準(zhǔn)晶會議，我在會議中的報告題目是“From Frank-Kasper Phases to Quasicrystal”，說明我們的準(zhǔn)晶是研究四面體密堆合金相的直接結(jié)果，同時指出準(zhǔn)晶與四面體密堆合金相都是由二十面體原子團(tuán)簇構(gòu)成的，只不過它們在準(zhǔn)晶中呈非周期排列，而在四面體密堆合金相中呈三維周期性排列。后來的工作證明這個觀點是正確的。 在準(zhǔn)晶取得突破后，我的研究工作就逐漸集中到這個方面來，并且取得一些在國際上有影響的結(jié)果。王寧、曹巍等分別在Cr-Ni-Si和Mn-Si合金中首先發(fā)現(xiàn)八重旋轉(zhuǎn)對稱二維準(zhǔn)晶，它們都與具有β-Mn結(jié)構(gòu)的合金相共存。我們在1984年底寫就的“正空間與倒空間中的五重對稱”，一文中已明確指出，既然Laves相、μ相中的二十面體原子團(tuán)簇可以給出五重對稱衍射圖，sigma相中的二十四面體原子團(tuán)簇（六角反棱柱）應(yīng)能給出六重（或十二重）對稱衍射圖。在這之后。Ishimasa等首先在Cr-Ni合金中發(fā)現(xiàn)十二重旋轉(zhuǎn)對稱準(zhǔn)晶，陳煥等接著在V-Ni-Si合金中發(fā)現(xiàn)十二重旋轉(zhuǎn)對稱準(zhǔn)晶與sigma相共存。何倫雄、李興中、張澤、吳玉琨等首先發(fā)現(xiàn)A1-Co-Cu穩(wěn)定的十重旋轉(zhuǎn)對稱二維準(zhǔn)晶以及一維準(zhǔn)晶。張洪等用相位子理論分析了十重旋轉(zhuǎn)對稱二維準(zhǔn)晶轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S準(zhǔn)晶和晶體相之間的晶體學(xué)關(guān)系，找出這些晶體相的點陣常數(shù)規(guī)律。董闖等在Ti2Fe合金中發(fā)現(xiàn)二十面體準(zhǔn)晶與α-(TiFeSi)相共存。此外，我們還在A1-Pt族金屬（Ru，0s， Rh，Ir）二元合金中發(fā)現(xiàn)一些十重對稱二維準(zhǔn)晶。第二屆國際準(zhǔn)晶會議得以在1987年夏在北京召開，從一個側(cè)面說明我們的準(zhǔn)晶研究在那時已經(jīng)得到國際上的承認(rèn)。 為什么我們能在1985年在金屬研究所發(fā)現(xiàn)這么多類型的準(zhǔn)晶呢？如上所述，我們是在研究高溫合金中的四面體密堆合金相（Laves相，μ相等）時偶然觀察到五重旋轉(zhuǎn)對稱電子衍射斑點的。其實這里面也有其必然性。德國的準(zhǔn)晶學(xué)家Urban在1986年見到我時曾說：“看到你們在1985年發(fā)表的那3篇關(guān)于五角四面體密堆相的論文中對疇結(jié)構(gòu)的詳盡論述，就會理解為什么你們會發(fā)現(xiàn)五重旋轉(zhuǎn)對稱和二十面體準(zhǔn)晶了”。那時，發(fā)展高溫合金正是金屬研究所的一個研究熱點。為了提高使用溫度，措施之一就是增加Ti，A1，Mo等合金元素的含量,伴隨而來的后果就是容易出現(xiàn)片狀sigma，Laves等脆化相，這就為我們提供了大量豐富的研究素材。如前所述，國外首先發(fā)現(xiàn)的Al-Mn及A1-Li-Cu準(zhǔn)晶也是發(fā)展高強(qiáng)超輕鋁合金的附產(chǎn)物。由此可見生產(chǎn)實踐是基礎(chǔ)研究的源泉。另外，金屬研究所在急冷凝固制造非晶合金方面也有一支隊伍及實驗條件，在準(zhǔn)晶研究的開始階段，為我們提供了方便。后來周大順去昆明貴金屬研究所借來一臺錘鉆設(shè)備，大批急冷凝固合金主要是利用它制備的。 其次，我們無論在理論上還是在實驗方面都有所儲備。我在20世紀(jì)50年代初曾研究過Laves相及η2-(Ti,Ta)4Ni2C（與Ti2Ni有相同的結(jié)構(gòu)）、β-Mn結(jié)構(gòu)、sigma相等，它們分別是五重對稱二十面體準(zhǔn)晶、八重對稱二維準(zhǔn)晶、十二重對稱二維準(zhǔn)晶的近似晶體相。換句話說，這些合金相中的原子團(tuán)簇與相應(yīng)的準(zhǔn)晶中的原子團(tuán)簇相同或類似。我對這些合金相的合金化學(xué)和晶體結(jié)構(gòu)的了解的確有助于后來的準(zhǔn)晶研究。此外，即使在文化大革命中，我們對合金相理論、晶體的對稱理論和電子顯微鏡技術(shù)的學(xué)習(xí)也從未中斷過。在“文化大革命”中，對我的批判也主要是辦電子衍射學(xué)習(xí)班以對抗毛澤東思想學(xué)習(xí)班。準(zhǔn)晶研究需要三個方面知識的結(jié)合，即合金學(xué)、晶體學(xué)、電子顯微學(xué)。我們正好在這三方面都有所儲備，因此才能在早期的準(zhǔn)晶研究中得心應(yīng)手，左右逢源。有些人的晶體學(xué)理論比我們高明的多，但是他們不熟悉電子顯微學(xué)，對急冷凝固產(chǎn)生的微米級準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)研究束手無策；另外，有些人的電子顯微學(xué)造詣很深，但是他們不懂合金學(xué)或晶體學(xué)，看到五重或八重對稱電子衍射斑點，卻不知道怎么去理解它。 應(yīng)當(dāng)指出，我們在合金學(xué)、晶體學(xué)、電子顯微學(xué)三方面都有一定儲備，這使得我們在準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)中占了一些便宜，但在準(zhǔn)晶研究進(jìn)入深層次后就未免有功底不深、力不從心之感。在合金學(xué)方面，我們沒有真空甩帶急冷設(shè)備，無法去控制鈦合金準(zhǔn)晶中的氧含量（少量氧有助于準(zhǔn)晶的生成），后來美國華盛頓大學(xué)的一個研究小組在這方面做了大量工作，長出毫米尺寸、穩(wěn)定的Ti-Zr-Ni準(zhǔn)晶單晶并 進(jìn)行X射線結(jié)分析，現(xiàn)在是國際上鈦、鋯合金準(zhǔn)晶研究的中心。在晶體學(xué)方面，德國慕尼黑大學(xué)晶體學(xué)實驗室（勞厄在此發(fā)明X射線衍射）的準(zhǔn)晶研究起步較晚，但是由于這里的晶體學(xué)理論和X射線衍射實驗技術(shù)都很強(qiáng)，他們在準(zhǔn)晶的六維晶體學(xué)和X射線漫散衍射研究中都是后來居上。在電子顯微學(xué)方面，日本學(xué)者在用會聚束衍射研究準(zhǔn)晶的對稱性和用廣角環(huán)形暗場像技術(shù)產(chǎn)生Z襯度高分辨原子像（像的襯度與原子序數(shù)Z有關(guān)），研究準(zhǔn)晶中不同原子的分布，一直領(lǐng)先國際。我未能及時進(jìn)行縱深部署，把廣與專結(jié)合好，失掉一些機(jī)會。此外，研究隊伍不夠穩(wěn)定也有關(guān)系。今后應(yīng)當(dāng)吸取這個教訓(xùn)，注意科研工作的進(jìn)一步深入與提高。 最后也是最重要的，我們有一支學(xué)術(shù)精、學(xué)風(fēng)好的科研隊伍，我過去主張過“清清白白地做人，認(rèn)認(rèn)真真地做學(xué)問”，在“文化大革命”中，這卻成為我的罪狀。但是這種認(rèn)識并沒有被批倒，仍是我們這個集體遵守的信條。我們這支準(zhǔn)晶研究隊伍，包括四、五位骨干和十幾位研究生，都能兢兢業(yè)業(yè)地、踏踏實實地做學(xué)問。在扎實的實驗工作基礎(chǔ)上勇于創(chuàng)新，又耐得住寂寞不急于求成，敢想敢干而不浮躁、不浮夸。張澤、王大能因發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶和五重旋轉(zhuǎn)對稱而獲第一屆吳健雄物理獎，王寧、陳煥因發(fā)現(xiàn)八重和十二重旋轉(zhuǎn)對稱準(zhǔn)晶而獲第二屆吳健雄物理獎。他們并未因此而驕傲，得獎后也未敢稍有懈怠。張澤接著又獲得二十面體準(zhǔn)晶向面心立方近似晶體相η2-Ti2Ni轉(zhuǎn)變的中間過渡結(jié)構(gòu)及二者間的取向關(guān)系，王大能從C相的高分辨電子顯微像得出它的晶體結(jié)構(gòu)模型。我們的準(zhǔn)晶研究也有不順利的時候，即使一次接著一次的實驗都失敗了，還能發(fā)揚百折不撓的精神，堅持到最后并得到預(yù)期的結(jié)果。我們這個集體出的論文多，出國深造的機(jī)會多，但從未因排名選人而有過什么爭議。這是一個團(tuán)結(jié)合作的集體，勝不驕敗不餒，這種好學(xué)風(fēng)是我們成功的保證。 我很幸運，能在20世紀(jì)80年代這個關(guān)鍵時期，在金屬研究所這個優(yōu)越的科研環(huán)境里，帶領(lǐng)一批優(yōu)秀中青年科研人員沖鋒陷陣，占領(lǐng)準(zhǔn)晶研究這個制高點。 [ Last edited by yalefield on 2011-10-7 at 12:08 ] |
2樓2011-10-07 11:57:43
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3樓2011-10-07 16:50:23
lqingh506
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4樓2011-10-07 17:10:12
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