《現(xiàn)代分析測試技術(shù)》課程中有關(guān)“準(zhǔn)晶”教學(xué)的幾點啟示-2019年文檔

1、現(xiàn)代分析測試技術(shù)課程中有關(guān)“準(zhǔn)晶”教學(xué)的幾點啟示多年來，現(xiàn)代分析測試技術(shù)的課程一直是各高校材料專業(yè)開設(shè)的一門經(jīng)典課程， 在提高大學(xué)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(shù)，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(yīng)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(xiàn)的時候，與超導(dǎo)體一道被列為 19 世紀(jì) 80 年代凝聚態(tài)物理兩大重要進(jìn)展的“準(zhǔn)晶”只是一句話帶過：“以色列科學(xué)家達(dá)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(dāng)時所觀察的

2、鋁合金中的原子， 是以一種不重復(fù)的非周期性對稱有序方式排列的， 而按照當(dāng)時的理論， 具有此種原子排列方式的固體物質(zhì)是不存在的， 最終，人們認(rèn)識到這是一種新的固體，命名為“準(zhǔn)晶”，從而帶來了傳統(tǒng)晶體學(xué)的一場革命”。但是， 2011 年 10 月 5 日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，以色列科學(xué)家達(dá)尼埃爾·謝赫特曼因發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體獨享2011 年諾貝爾化學(xué)獎，舉世轟動。全世界的目光又重新回到“透射電鏡”，回到“準(zhǔn)晶”上面來。我在2012 年上半年的“現(xiàn)代分析測試教學(xué)”中，就利用謝赫特曼發(fā)現(xiàn)“準(zhǔn)晶”而獨享2011 年諾貝爾化學(xué)獎的契機(jī)，結(jié)合我所知道的“準(zhǔn)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(xué)中去， 有關(guān)“準(zhǔn)晶”的內(nèi)容整整講了一節(jié)課，同學(xué)們聽的很入神，起到了非常好的教學(xué)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(zhì)由晶體和非晶體組成。 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)， 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(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)

4、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。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

5、 種，1971 年進(jìn)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(zhuǎn)對稱的非周期鋪砌。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，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實現(xiàn)非周期鋪砌， 這個理論結(jié)果后來被很多實驗驗證。二、準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn)三、中國人對“準(zhǔn)晶”的貢獻(xiàn)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(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)能這么容易被承認(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

7、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、李方華、張殿林和張澤院士。四、“準(zhǔn)晶”帶來的啟示（一）學(xué)術(shù)界公認(rèn)的就一定是真理嗎？數(shù)學(xué)嚴(yán)格證明的就一定正確嗎？（二）我們一提到做學(xué)術(shù)，就是辛苦，枯燥。為什么不能用玩游戲的心態(tài)去玩科學(xué)？當(dāng)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(xué)？（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，也不是用多少科研經(jīng)費就可以換來的，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。（四）在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，中國人為什么總是與“第