《現(xiàn)代分析測試技術》課程中有關“準晶”教學的幾點啟示-2019年文檔

1、現(xiàn)代分析測試技術課程中有關“準晶”教學的幾點啟示多年來，現(xiàn)代分析測試技術的課程一直是各高校材料專業(yè)開設的一門經(jīng)典課程， 在提高大學生創(chuàng)新能力、 創(chuàng)造能力方面發(fā)揮著重要的作用。 它主要講授了材料工作者經(jīng)常使用的幾種分析測試技術，如 X 射線衍射、透射電鏡、掃描電鏡和電子探針的基本原理、試驗方法和應用。作者以前在講授這門課程的時候，每每講到透射電鏡為人類所做出的杰出貢獻的時候，與超導體一道被列為 19 世紀 80 年代凝聚態(tài)物理兩大重要進展的“準晶”只是一句話帶過：“以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼于1982 年4 月 8 日首次在透射電子顯微鏡中觀察到一種“反常理”的現(xiàn)象他們當時所觀察的

2、鋁合金中的原子， 是以一種不重復的非周期性對稱有序方式排列的， 而按照當時的理論， 具有此種原子排列方式的固體物質是不存在的， 最終，人們認識到這是一種新的固體，命名為“準晶”，從而帶來了傳統(tǒng)晶體學的一場革命”。但是， 2011 年 10 月 5 日，瑞典皇家科學院宣布，以色列科學家達尼埃爾·謝赫特曼因發(fā)現(xiàn)準晶體獨享2011 年諾貝爾化學獎，舉世轟動。全世界的目光又重新回到“透射電鏡”，回到“準晶”上面來。我在2012 年上半年的“現(xiàn)代分析測試教學”中，就利用謝赫特曼發(fā)現(xiàn)“準晶”而獨享2011 年諾貝爾化學獎的契機，結合我所知道的“準晶”發(fā)現(xiàn)過程的一些故事以及我個人的一些體會， 全部

3、都加到教學中去， 有關“準晶”的內容整整講了一節(jié)課，同學們聽的很入神，起到了非常好的教學效果。一、“對稱性”的概念根據(jù)傳統(tǒng)的固體理論， 固態(tài)物質由晶體和非晶體組成。 在自然界中，很多固體物質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， 科學家就總結并通過數(shù)學嚴格證明，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 等五種旋轉對稱軸（相應的轉角為2/n），不可能出現(xiàn)n=5 和 n>6 次的對稱軸。 1-4 和 6 次旋轉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。在晶體結構中不允許出現(xiàn)

4、5 次和 6 次以上的旋轉對稱性，這是被寫進教科書的國際學術界主流觀點，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構，人們首先懷疑的是實驗的可靠性，而不是理論是否有問題。數(shù)學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。進入 20 世紀，很多人對“非周期的平面鋪砌”產生興趣，所謂非周期鋪砌（后來被稱為準周期鋪砌），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對稱性（取向序）。人們首先考慮的是如何拼出具有五次旋轉對稱性的平面圖形，數(shù)學家起初證明要實現(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

5、 種，1971 年進一步減少到下圖a 的 6 種， 1974 年 Penrose 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 次旋轉對稱的非周期鋪砌。陸續(xù)有研究者對其它旋轉對稱性的圖形實現(xiàn)了非周期鋪砌，在興趣驅動下， 數(shù)學家還發(fā)展了多種能直接產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 年德國科學家提出覆蓋理論，該理論設想用一種畫有特殊圖案的花磚實現(xiàn)非周期鋪砌， 這個理論結果后來被很多實驗驗證。二、準晶的發(fā)現(xiàn)三、中國人對“準晶”的貢獻Shechtman 等人的文章是1984 年 11 月 12 日刊登出來，幾

6、乎是同時， 我國著名科學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家鍥而不舍的努力， 中國人的首次發(fā)現(xiàn)能這么容易被承認和發(fā)表嗎？在郭可信先生的領導下， 他的學生還先后發(fā)現(xiàn)了二維八次對稱準晶和十二次對稱準晶， 并在國際上首次生長出毫米級的十次穩(wěn)定準晶單晶。郭可信院士的研究團隊因發(fā)現(xiàn)五次對稱及Ti2Ni 準晶獲得 1987 年國家自然科學一等獎，他的四位學生也因為相關研究先后榮獲第一和第二屆吳健雄物理獎。 準晶的發(fā)現(xiàn)， 創(chuàng)造了中國科學的一個奇跡， 被認為是真正達到國際水平的一項研究， 這個項目

7、的研究不僅培養(yǎng)了一大批青年科學家， 還“培養(yǎng)”了四位中國科學院院士，他們是葉恒強、李方華、張殿林和張澤院士。四、“準晶”帶來的啟示（一）學術界公認的就一定是真理嗎？數(shù)學嚴格證明的就一定正確嗎？（二）我們一提到做學術，就是辛苦，枯燥。為什么不能用玩游戲的心態(tài)去玩科學？當所有人都在追求 SCI 論文數(shù)量、影響因子，引用率。每年就是不停地寫申請，爭科研經(jīng)費、項目的時候，我們?yōu)楹尾荒莒o下心來玩玩科學？（三）重大科學發(fā)現(xiàn)往往是偶然的，不是科學指南可以規(guī)劃出來的，也不是用多少科研經(jīng)費就可以換來的，把科學創(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。 權威是過去時，權威人士有時候是阻礙科學創(chuàng)新的最大阻力和絆腳石，要創(chuàng)新不要迷信權威。（四）在科學發(fā)現(xiàn)中，中國人為什么總是與“第