论文部分内容阅读
摘要：“现代分析测试技术”是理工科大学生的一门重要的专业基础课。面对时代转型，“现代分析测试技术”课程的教学也面临如何改变传统的教学方式，逐步适应社会需求的问题。本文作者就在教学过程中利用以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因1982年发现“准晶”而独享2011年诺贝尔化学奖的事件，结合“准晶”发现过程的一些故事以及作者的一些体会加入到教学中，起到了很好的教学效果。
关键词：现代分析测试技术；课程教学；准晶
中图分类号：G42文献标识码：A文章编号：1009-0118（2013）02-0031-02
多年来，《现代分析测试技术》的课程一直是各高校材料专业开设的一门经典课程，在提高大学生创新能力、创造能力方面发挥着重要的作用。它主要讲授了材料工作者经常使用的几种分析测试技术，如X射线衍射、透射电镜、扫描电镜和电子探针的基本原理、试验方法和应用。作者以前在讲授这门课程的时候，每每讲到透射电镜为人类所做出的杰出贡献的时候，与超导体一道被列为19世纪80年代凝聚态物理两大重要进展的“准晶”只是一句话带过：“以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼于1982年4月8日首次在透射电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象——他们当时所观察的铝合金中的原子，是以一种不重复的非周期性对称有序方式排列的，而按照当时的理论，具有此种原子排列方式的固体物质是不存在的，最终，人们认识到这是一种新的固体，命名为“准晶”，从而带来了传统晶体学的一场革命”。
但是，2011年10月5日，瑞典皇家科学院宣布，以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现准晶体独享2011年诺贝尔化学奖，举世轰动。全世界的目光又重新回到“透射电镜”，回到“准晶”上面来。我在2012年上半年的“现代分析测试教学”中，就利用谢赫特曼发现“准晶”而独享2011年诺贝尔化学奖的契机，结合我所知道的“准晶”发现过程的一些故事以及我个人的一些体会，全部都加到教学中去，有关“准晶”的内容整整讲了一节课，同学们听的很入神，起到了非常好的教学效果。
一、“对称性”的概念
根据传统的固体理论，固态物质由晶体和非晶体组成。在自然界中，很多固体物质都是以晶体的方式存在，它们在宏观上表现出特定的对称性。早在十九世纪，科学家就总结并通过数学严格证明，为了满足晶体的平移对称性（长程序），晶体只能出现n=1、2、3、4、6等五种旋转对称轴（相应的转角为2π/n），不可能出现n=5和n>6次的对称轴。1-4和6次旋转对称的图能够无间隙、不重叠地铺满整个平面空间，但5、7和8次对称的多边形不能够做到这一点。在晶体结构中不允许出现5次和6次以上的旋转对称性，这是被写进教科书的国际学术界主流观点，一百多年来没有人去怀疑它的正确性，即使在实验中偶然发现那些被理论禁止的晶体对称结构，人们首先怀疑的是实验的可靠性，而不是理论是否有问题。
数学家才不管具体的晶体对称性，他们可以像小孩一样玩拼图游戏。进入20世纪，很多人对“非周期的平面铺砌”产生兴趣，所谓非周期铺砌（后来被称为准周期铺砌），是指铺砌的图形整体丧失平移对称性（没有长程序），但图形整体存在某种旋转对称性（取向序）。人们首先考虑的是如何拼出具有五次旋转对称性的平面图形，数学家起初证明要实现这个目的，必须用20426种不同现状的花砖！后来证明只需104种，1971年进一步减少到下图a的6种，1974年Penrose证明用72°和36°的两种菱形，按照一定的衔接规则就可以实现具有5次旋转对称的非周期铺砌。陆续有研究者对其它旋转对称性的图形实现了非周期铺砌，在兴趣驱动下，数学家还发展了多种能直接产生非周期铺砌的方法，比如，高维空间投影法，对偶方法，自相似膨胀法等等。1995年德国科学家提出覆盖理论，该理论设想用一种画有特殊图案的花砖实现非周期铺砌，这个理论结果后来被很多实验验证。
二、准晶的发现
1982年，两位主要从事航空用高强度铝合金研究的以色列科学家Shechtman和Blech，他们无意中在急冷Al6Mn合金中发现五次对称衍射图，由于两人的晶体学基础一般，就到处请教晶体学专家，专家们认为那不过是晶体学中常见的五次孪晶。以双料诺贝尔奖获得者鲍林（Pauling：1954年诺贝尔化学奖，1962年和平奖，1995年去世）为代表的保守势力，要誓死捍卫传统晶体理论的“纯洁性”，他们认为所谓准晶就是众人皆知的孪晶，在Nature发文用“Nonsense”这个词形容准晶的发现，并利用自己的特殊身份在美国科学院院报上连发檄文，歇斯底里地反对准晶。抱着试试看的态度，Shechtman还是决定把文章寄到美国《应用物理杂志》，不幸又被不识货的杂志编辑直接退稿。后来他们又去请教法国CNRS冶金化学研究所的D.Gratias，由于实验结果与传统晶体学的周期性相矛盾，Gratias认为很难被主流接受发表。
1984年秋，Gratias在加州大学的一次理论物理讨论会中听了Steinhardt的报告，发现他们关于二十面体理论模型的衍射花样与Shechtman等人的实验结果完全一致，两人会后这么一碰，火花就出来了，他们决定把理论和实验结果同时寄到物理学最权威的Physical Review Letters，独具慧眼的编辑让两篇文章以最快的速度先后发表，从此准晶（Quasicrystal）这个新名称诞生了。
三、中国人对“准晶”的贡献
Shechtman等人的文章是1984年11月12日刊登出来，几乎是同时，我国著名科学家郭可信院士手下大将张泽，在过渡族金属合金中也独立地发现了五次对称电子衍射图，不过遗憾地与“第一名”擦肩而过，可是我在想，如果没有以色列科学家锲而不舍的努力，中国人的首次发现能这么容易被承认和发表吗？在郭可信先生的领导下，他的学生还先后发现了二维八次对称准晶和十二次对称准晶，并在国际上首次生长出毫米级的十次稳定准晶单晶。郭可信院士的研究团队因发现五次对称及Ti2Ni准晶获得1987年国家自然科学一等奖，他的四位学生也因为相关研究先后荣获第一和第二届吴健雄物理奖。准晶的发现，创造了中国科学的一个奇迹，被认为是真正达到国际水平的一项研究，这个项目的研究不仅培养了一大批青年科学家，还“培养”了四位中国科学院院士，他们是叶恒强、李方华、张殿林和张泽院士。
四、“准晶”带来的启示
（一）学术界公认的就一定是真理吗？数学严格证明的就一定正确吗？
（二）我们一提到做学术，就是辛苦，枯燥。为什么不能用玩游戏的心态去玩科学？当所有人都在追求SCI论文数量、影响因子，引用率。每年就是不停地写申请，争科研经费、项目的时候，我们为何不能静下心来玩玩科学？
（三）重大科学发现往往是偶然的，不是科学指南可以规划出来的，也不是用多少科研经费就可以换来的，把科学创新的希望和赌注完全压在那些钦定的人才身上，是极其不科学。权威是过去时，权威人士有时候是阻碍科学创新的最大阻力和绊脚石，要创新不要迷信权威。
（四）在科学发现中，中国人为什么总是与“第一”擦肩而过？在不少研究领域，我们已经达到可以跟踪国际热点的水平，可我们什么时候可以创造研究热点，让外国人来跟踪？国家科研基金在支持开展国际前沿课题研究的同时，如何支持那些由中国人创造、将来有可能成为国际前沿的研究课题？
参考文献：
[1]刘兆龙，胡海云.“准晶的发现”大学物理[J].大学物理，2011，30（7）：33-36.
[2]谢兰生，翟建军.“金属塑性成形原理”教学改革初探[J].南京航空航天大学学报（社会科学版）·高等教育研究，2006，（8）：163-165.
关键词：现代分析测试技术；课程教学；准晶
中图分类号：G42文献标识码：A文章编号：1009-0118（2013）02-0031-02
多年来，《现代分析测试技术》的课程一直是各高校材料专业开设的一门经典课程，在提高大学生创新能力、创造能力方面发挥着重要的作用。它主要讲授了材料工作者经常使用的几种分析测试技术，如X射线衍射、透射电镜、扫描电镜和电子探针的基本原理、试验方法和应用。作者以前在讲授这门课程的时候，每每讲到透射电镜为人类所做出的杰出贡献的时候，与超导体一道被列为19世纪80年代凝聚态物理两大重要进展的“准晶”只是一句话带过：“以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼于1982年4月8日首次在透射电子显微镜中观察到一种“反常理”的现象——他们当时所观察的铝合金中的原子，是以一种不重复的非周期性对称有序方式排列的，而按照当时的理论，具有此种原子排列方式的固体物质是不存在的，最终，人们认识到这是一种新的固体，命名为“准晶”，从而带来了传统晶体学的一场革命”。
但是，2011年10月5日，瑞典皇家科学院宣布，以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼因发现准晶体独享2011年诺贝尔化学奖，举世轰动。全世界的目光又重新回到“透射电镜”，回到“准晶”上面来。我在2012年上半年的“现代分析测试教学”中，就利用谢赫特曼发现“准晶”而独享2011年诺贝尔化学奖的契机，结合我所知道的“准晶”发现过程的一些故事以及我个人的一些体会，全部都加到教学中去，有关“准晶”的内容整整讲了一节课，同学们听的很入神，起到了非常好的教学效果。
一、“对称性”的概念
根据传统的固体理论，固态物质由晶体和非晶体组成。在自然界中，很多固体物质都是以晶体的方式存在，它们在宏观上表现出特定的对称性。早在十九世纪，科学家就总结并通过数学严格证明，为了满足晶体的平移对称性（长程序），晶体只能出现n=1、2、3、4、6等五种旋转对称轴（相应的转角为2π/n），不可能出现n=5和n>6次的对称轴。1-4和6次旋转对称的图能够无间隙、不重叠地铺满整个平面空间，但5、7和8次对称的多边形不能够做到这一点。在晶体结构中不允许出现5次和6次以上的旋转对称性，这是被写进教科书的国际学术界主流观点，一百多年来没有人去怀疑它的正确性，即使在实验中偶然发现那些被理论禁止的晶体对称结构，人们首先怀疑的是实验的可靠性，而不是理论是否有问题。
数学家才不管具体的晶体对称性，他们可以像小孩一样玩拼图游戏。进入20世纪，很多人对“非周期的平面铺砌”产生兴趣，所谓非周期铺砌（后来被称为准周期铺砌），是指铺砌的图形整体丧失平移对称性（没有长程序），但图形整体存在某种旋转对称性（取向序）。人们首先考虑的是如何拼出具有五次旋转对称性的平面图形，数学家起初证明要实现这个目的，必须用20426种不同现状的花砖！后来证明只需104种，1971年进一步减少到下图a的6种，1974年Penrose证明用72°和36°的两种菱形，按照一定的衔接规则就可以实现具有5次旋转对称的非周期铺砌。陆续有研究者对其它旋转对称性的图形实现了非周期铺砌，在兴趣驱动下，数学家还发展了多种能直接产生非周期铺砌的方法，比如，高维空间投影法，对偶方法，自相似膨胀法等等。1995年德国科学家提出覆盖理论，该理论设想用一种画有特殊图案的花砖实现非周期铺砌，这个理论结果后来被很多实验验证。
二、准晶的发现
1982年，两位主要从事航空用高强度铝合金研究的以色列科学家Shechtman和Blech，他们无意中在急冷Al6Mn合金中发现五次对称衍射图，由于两人的晶体学基础一般，就到处请教晶体学专家，专家们认为那不过是晶体学中常见的五次孪晶。以双料诺贝尔奖获得者鲍林（Pauling：1954年诺贝尔化学奖，1962年和平奖，1995年去世）为代表的保守势力，要誓死捍卫传统晶体理论的“纯洁性”，他们认为所谓准晶就是众人皆知的孪晶，在Nature发文用“Nonsense”这个词形容准晶的发现，并利用自己的特殊身份在美国科学院院报上连发檄文，歇斯底里地反对准晶。抱着试试看的态度，Shechtman还是决定把文章寄到美国《应用物理杂志》，不幸又被不识货的杂志编辑直接退稿。后来他们又去请教法国CNRS冶金化学研究所的D.Gratias，由于实验结果与传统晶体学的周期性相矛盾，Gratias认为很难被主流接受发表。
1984年秋，Gratias在加州大学的一次理论物理讨论会中听了Steinhardt的报告，发现他们关于二十面体理论模型的衍射花样与Shechtman等人的实验结果完全一致，两人会后这么一碰，火花就出来了，他们决定把理论和实验结果同时寄到物理学最权威的Physical Review Letters，独具慧眼的编辑让两篇文章以最快的速度先后发表，从此准晶（Quasicrystal）这个新名称诞生了。
三、中国人对“准晶”的贡献
Shechtman等人的文章是1984年11月12日刊登出来，几乎是同时，我国著名科学家郭可信院士手下大将张泽，在过渡族金属合金中也独立地发现了五次对称电子衍射图，不过遗憾地与“第一名”擦肩而过，可是我在想，如果没有以色列科学家锲而不舍的努力，中国人的首次发现能这么容易被承认和发表吗？在郭可信先生的领导下，他的学生还先后发现了二维八次对称准晶和十二次对称准晶，并在国际上首次生长出毫米级的十次稳定准晶单晶。郭可信院士的研究团队因发现五次对称及Ti2Ni准晶获得1987年国家自然科学一等奖，他的四位学生也因为相关研究先后荣获第一和第二届吴健雄物理奖。准晶的发现，创造了中国科学的一个奇迹，被认为是真正达到国际水平的一项研究，这个项目的研究不仅培养了一大批青年科学家，还“培养”了四位中国科学院院士，他们是叶恒强、李方华、张殿林和张泽院士。
四、“准晶”带来的启示
（一）学术界公认的就一定是真理吗？数学严格证明的就一定正确吗？
（二）我们一提到做学术，就是辛苦，枯燥。为什么不能用玩游戏的心态去玩科学？当所有人都在追求SCI论文数量、影响因子，引用率。每年就是不停地写申请，争科研经费、项目的时候，我们为何不能静下心来玩玩科学？
（三）重大科学发现往往是偶然的，不是科学指南可以规划出来的，也不是用多少科研经费就可以换来的，把科学创新的希望和赌注完全压在那些钦定的人才身上，是极其不科学。权威是过去时，权威人士有时候是阻碍科学创新的最大阻力和绊脚石，要创新不要迷信权威。
（四）在科学发现中，中国人为什么总是与“第一”擦肩而过？在不少研究领域，我们已经达到可以跟踪国际热点的水平，可我们什么时候可以创造研究热点，让外国人来跟踪？国家科研基金在支持开展国际前沿课题研究的同时，如何支持那些由中国人创造、将来有可能成为国际前沿的研究课题？
参考文献：
[1]刘兆龙，胡海云.“准晶的发现”大学物理[J].大学物理，2011，30（7）：33-36.
[2]谢兰生，翟建军.“金属塑性成形原理”教学改革初探[J].南京航空航天大学学报（社会科学版）·高等教育研究，2006，（8）：163-165.