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 [转帖]2011诺贝尔化学奖与中国擦身而过 |
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金唢呐
[个人文集]
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加入时间: 2007/06/19
文章: 1504
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作者：金唢呐 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org
现在很形势很清楚了，我觉得应该组织几名中国的专家，联合起来写信给瑞典，说明准晶授给一个人不公平，应该同时给中国人，郭院士去世了不要紧，他的弟子都健在，应该分享！——刘实博客
2011诺贝尔化学奖与中国擦身而过
□本报记者 郝俊
10月5日，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。
事实上，中国科学家对准晶的研究起步并不晚，并曾对这一诺奖成果的验证作出过重要贡献。只是由于历史原因，与此次诺奖擦身而过。
论战：“中国相”的有力佐证
谢赫特曼发现准晶，也曾遭受化学界权威的质疑。诺贝尔奖获奖者，美国化学家鲍林就曾措辞强硬地捍卫传统晶体的“纯洁性”。他认为所谓的准晶不过是众人皆知的孪晶。
到底是准晶，还是孪晶？在论战中，中国科学家独树一帜，为最终达成准周期晶体概念共识提供了有力的佐证。
故事可追溯至1956年。受周恩来总理“向科学进军”的号召，当时在瑞典工作的著名冶金专家郭可信先生回到祖国。当他正准备施展所学，奉献于祖国科学事业之时，先后赶上“大跃进”和“文化大革命”。
“文革”结束，中国迎来“科学的春天”。已年近60岁的郭可信敏锐捕捉到利用高分辨率电子显微术进行合金相研究的国际热潮。1980年，在中国科学院金属研究所工作的郭可信向中科院领导立下“军令状”，申请引进当时最为先进的JEM200CX高分辨率电子显微镜，并保证拿到设备后，三年内必出成果。
1981年秋天，郭可信的申请得到批准。1984年，他带领的团队果然取得突破性进展，在高温合金中分离出来的Laves相、Frank-Kasper相及C相的单晶衍射图中，都发现有五次对称分布的强斑点。
随后，郭可信又安排研究生张泽（现著名材料科学家、中国科学院院士）进行钛镍合金实验，另一名研究生蒋维吉开展镍锆合金实验，深入推进这项研究。
1984年11月，张泽在中科院金属所的高分辨率电子显微镜下得到五次对称的电子衍射图。为进一步弄清情况，郭可信让张泽在1985年春节探亲期间，去上海硅酸盐所进行大角度倾转实验。
此时，郭可信看到了谢赫特曼发表在《物理评论快报》上有关发现铝锰准晶的论文，并把情况告知远在上海的张泽。
1985年2月，张泽在钛镍合金中如期发现了五次对称准晶。这也是全世界第一次在过渡族金属合金中观察到准晶，扩大了准晶出现的合金范围。随后，郭可信团队对其微观结构进行了细致的电子衍射和高分辨电子显微像观察。
与此同时，蒋维吉也在急冷的镍锆合金中得到了五次对称电子衍射图。经仔细分析，这是由镍锆相的10次旋转孪晶产生的，与准晶的高分辨像点呈非周期性五次旋转对称分布迥然不同。
1985年，张泽为第一作者的准晶研究论文《一种具有20面体点群对称的新相》、蒋维吉为第一作者的孪晶研究论文《急冷镍锆合金的十重孪晶》，同时发表在英国《哲学研究A》杂志上。
中国科学家为准晶地位的确立作出了重要贡献。法国晶体学家格雷迪雅斯，也是与谢赫特曼一同发表准晶论文的第三作者，称张泽发现的五次对称钛镍准晶相为“China Phase”（中国相）。
蒋维吉得到的孪晶高分辨像，后来在很多地方刊出，作为十次孪晶的“标准照”。这从另一个角度证明了五次对称准晶不是孪晶。
“我们的发现是独立的，并且与谢赫特曼的研究属于不同的研究体系。”当年在金属所负责指导准晶研究工作的中国科学院院士、材料科学家叶恒强说。
郭可信带领的团队，一举将中国的准晶和电子显微研究带入了世界前列，并在随后的20多年中，一直与美国和日本并列“准晶研究三雄”。
回顾当年的研究经历，叶恒强动情地跟记者说：“郭先生把下半生都投入在里面。”当年的努力，已成为准晶领域中国科学家一段难以忘怀的情愫。
2006年12月，郭可信先生与世长辞。在他身后，是中国科学的宝贵遗产。
错过拿奖但未错过前沿
“中国科学家真的离这次诺奖很近，但这是历史的遗憾吧。”曾师从郭可信先生的大连理工大学教授董闯表示，“不能说郭先生没有抓住机遇，而是整个历史造成的。”
在叶恒强看来，准晶在上世纪80年代初的发现，亦需要成熟的条件。第一，对于20面体结构在液体和固体中的排布，已经在理论上有了较为成熟的认识。第二，高分辨率电子显微术的发展，为其提供了技术支撑。第三，为满足经济社会发展对高强度合金的需求，各国都在尝试用不同于传统的快速冷却方式发展合金。
“从这三个条件来看，美国在当时是最完备的。”叶恒强说，重大科学发现的机遇往往出现在各方条件都已成熟之时。在叶恒强看来，由于得到了国家的支持，当时的中国科学家并未受到仪器设备方面的太多制约，而在理论和社会需求方面，确实还有差距。
“晚了一步，那就是晚了。历史就是如此。”叶恒强认为中国科学家并不需要为此太过遗憾，“一直以来，我们在准晶的合金学领域都走在世界前列”。
《科学时报》 (2011-10-12 A1 要闻)
黄秀清：中国人再次与诺贝尔奖擦肩而过！
（科学网电子杂志2011226期）
毫无疑问，准晶的发现应该得诺贝尔奖，不过，大大出乎所有人的意料，Shechtman获得2011年诺贝尔化学奖，而不是诺贝尔物理学奖。
1982年，以色列科学家Shechtman和Blech在铝锰合金中发现了五次对称衍射图，文章写成后却没有杂志愿意发表，为什么？原因非常简单，五次对称性“有违于人类科学史上业已公认并得到实践认可的科学理论”！该文章最后是如何发表的？论文发表后又经历过哪些风浪坎坷？有兴趣的朋友请阅读本博去年写的一篇博文【准晶：被双料诺奖得主鲍林斥为Nonsense的伟大发现】，我们是不是又可以发出这样的感叹：中国人再次与诺贝尔擦肩而过！（预知如何擦肩，请看下文）
不管你信不信，那些让人激动的科学发现总是“有违于人类科学史上业已公认并得到实践认可的科学理论”！
准晶：被双料诺奖得主鲍林斥为Nonsense的伟大发现
重大的科学发现往往是偶然的，有时候还需要运气，原始创新思想，不是靠智者们指南规划出来，更不是靠金钱烧出来，它或许仅仅是平凡者的神来之笔？创新需要勇气，是你死我活的战争，不是你不幸被权威踩死，就是你把权威拉下神坛，不要迷信权威，知识越多越糊涂，威望越高越保守。
一. 神秘的对称性
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，德国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。这种抽象的数学描述可以通过下图进行直观的描述，它们分别表示用平行四边形、长方形和正3-8多边形“元胞”铺平面空间，不难看出，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。
【思考一：主流学术界公认的就是真理吗？数学严格证明的就是正确吗？】
二. 数学游戏
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，如下图b所示。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，如图c的八次对称性和图d的十二次对称性。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（如图e所示的绿色边框十边形）实现非周期铺砌，这个理论结果后来被很多实验验证。
基于二维的Penrose拼砌，Steinhardt把游戏玩到三维空间，他发现利用三基矢夹角分别为63.43°和116.57°的两种菱形六面体（如下图所示），可以构造出三维的Penrose准周期结构。选择不同的构造方式，可得如图所示的正五边形十二面体、正三角形二十面体和菱形三十面体等结构，虽然它们外观不同，但它们拥有完全相同的旋转对称性（六个5次轴、十个3次轴和十五个2次轴），由于它们都包含传统晶体理论所不允许的5次轴，晶体学家认为这些对称结构不过是数学游戏。事实上，这样的对称结构不仅存在于人们的日常生活中（如足球）还存在于自然中（如下图的碳60和病毒）。
【思考二：我们为什么不能用玩的心态玩科学？当所有人拼热点、前沿，追SCI、影响因子，争科研经费、项目的时候，不妨静下心来玩玩科学！】
三. 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，又是以色列人！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，抱着试试看的态度，他们还是决定把文章寄到美国《应用物理杂志》，不幸被不识货的杂志编辑直接退稿，成名后的Shechtman对此事仍耿耿于怀，他作学术报告时总喜欢把那封退稿信作为第一张透明片，来讽刺那位有眼无珠的编辑。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（下图左）与Shechtman等人的实验结果（下图右）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。Shechtman也因为准晶的发现，获得了除了诺贝尔奖之外的几乎所有科学奖励。
准晶的发现引发了上世纪八十年代全球性的准晶热，中日美成为引领准晶研究的三驾马车，各种准晶材料和结构被发现（下图分别是三十面体和十二面体准晶），当然，也有不少研究者“顿足捶胸”，这不是自己N年前就发现的东西吗？准晶的发现也刺激了某些权威的神经，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，可叹，老先生晚节不保。
【思考三：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，也不是用钱可以换来的，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，这一点以色列人比我们强多了！】
四. 中国人的贡献
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。
奇迹的创造绝非偶然的，郭可信院士曾经用“四十多年前播下的种子，四十年后才收成”来描述创造奇迹的艰难历程，本人曾有机会见到郭先生亲手绘制的一张“秘密作战图”，对手下学生进行了科学部署和周密安排，对具体的合金成分和可能产生的准晶相都进行了详细说明，他的一位学生是这样评价的：“郭先生不会帮你挖金子，不过他会告诉你金矿在哪里！”
【思考四：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？】
准晶之谜还没有完全被揭开，特别在二维准晶中，八次、十次和十二次等偶数对称性的准晶先后被发现，奇怪的是，五次（它与二十面体的五次对称性不同）、七次、九次、十一次等奇数对称性的二维准晶一直没有被发现。十几年前本人曾考虑过这个问题，并与郭可信先生进行过讨论，我认为这种奇、偶对称性不守恒是自然界所固有的，郭先生倾向于将来会在实验中发现奇数次的二维准晶，不过，他认为如果能够从理论上严格证明这种对称的不守恒性，应该是非常重要的工作，虽然本人已不再从事这方面的研究，时不时还在琢磨这个至今未解的自然之谜。
我国材料科学家与2011诺贝尔奖化学奖擦肩而过
2011年诺贝尔化学奖授给了以色列材料科学家Daniel Shechtman(达尼埃尔•谢赫特曼), 以表彰他对准晶（quasicrystals）的发现。
谢赫特曼1941年出生于以色列的特拉维夫，现为以色列工学院工程材料系教授。1982年，他率先在实验室环境下发现准晶体“现象”。但在近30年前，谢赫特曼的这一发现曾“极具争议”，一度受到“劝告”，希望他脱离研究小组。
事实上，郭可信院士在1953年曾在Acta Metallurgica发表了3篇有关ηM6C，η2-（Ti,Ta）4Ni2C，Laves相和sigma相的论文。这些合金相的晶体结构中都有众多稍微畸变了的二十面体原子团簇。正二十面体是由20个正三角面围成的凸正多面体，5个正三角面围出一个正五重顶，通过每一对相对着的五重顶有一个五重旋转对称轴，通过每一对相对着的三角面中心有一个三重旋转轴；通过每一对相对着的棱的中点有一个二重旋转轴。
1956年春天，郭先生在海牙读到周总理“向科学进军”的号召，深受感动，在五一节前回到北京，随后分配到中科院金属研究所，直到1987年才转到新成立的北京电子显微镜开放实验室。前后在沈阳工作31年，时间不算短，又正值壮年。先生本应有所作为，但是生不逢时，前后赶上“大跃进”和“文化大革命”两次大动荡，他的基础研究一直没能在祖国大地扎根。幸好在打倒四人帮后迎来了科学的第二个春天，在1983年60岁时重新开始合金相的电子显微镜研究，先生与叶恒强、李斗星同志合作在镍基和铁基合金中发现了一系列与sigma相和Laves相有关的四面体密堆合金相。先生的研究生王大能在1984年夏在这些合金相的纳米畴中发现了五重旋转对称，张泽在1985年春发现了Ti-V-Ni二十面体准晶。研究成果“五次对称性及Ti-Ni准晶相的发现与研究”在1987 年获得了国家自然科学一等奖。
1985年初张泽去上海硅酸盐研究所做大角度倾转电子衍射实验，除了得到五重对称电子衍射图外，还得到了三重及二重对称电子衍射图，这些轴之间的夹角关系符合二十面体对称。就在这个时候（3月13日），郭院士在北京钢铁学院的研究生邹进寄来Shechtman等在 1984年11月12日在《物理评论快报》上发表的论文“一种具有长程取向序而无周期对称性的金属相”的复制件。这篇文章中叙述的合金是A1-16原子％Mn，急冷凝固后给出五重、三重、二重电子衍射图，而这些五重轴、三重轴、二重轴间的角度关系满足二十面体点群235的要求。稍后，这种金属相就被命名为准晶体（Quasiperiodic Crysta1），简称准晶（Quasicrystal）。
显然，Shechtman等与郭可信院士团队做的是同一类实验，他们用的是A1-Mn合金,郭老用的是Ti-V-Ni合金，他们发表在前，郭老团队发表在后。事后郭院士才知道,Shechtman在1982年为了发展高强度铝合金，采用急冷凝固的工艺迫使更多的锰固溶在铝中（锰在5000C时在铝中的固溶度仅为0.2原子％）。那时他就得到了五重对称电子衍射图，为此，他请教了冶金学权威J.W.Cahn，得到的答复是这是五重孪晶的复合电子衍射图。Shechtman 没有被说服，继续做细致的电镜实验才在1984年肯定它是二十面体准晶。当然，郭团队的Ti-V-Ni二十面体准晶是独立的发现，并且是首次在Ti合金中的发现。
值得指出的是，郭院士团队发现Ti-V-Ni准晶的过程中并没受到五重孪晶这种想法的干扰，因为蒋维吉同时已经得到NiZr五重孪晶，它的高分辨像与张泽得到的Ti-V-Ni准晶的高分辨像（经邹本三同志做过图像处理）不一样。前者显示取向差为720的5个二维周期分布的像点，后者是呈五重旋转对称的非周期分布的像点。郭院士他们写了“一种新的具有m3 5对称的二十面体相”和“急冷NiZr合金的十重孪晶”两篇简报在1985年的同一期Phi1osophica1 Magazine A中刊出。两相对应，说服力很强。Shechtman的合作者Gratias称郭可信院士的Ti-V-Ni准晶为中国相（China Phase），并邀请郭可信院士去参加他在法国组织的第一届国际准晶会议，会议报告题目是“From Frank-Kasper Phases to Quasicrystal”，说明准晶是研究四面体密堆合金相的直接结果，同时指出准晶与四面体密堆合金相都是由二十面体原子团簇构成的，只不过它们在准晶中呈非周期排列，而在四面体密堆合金相中呈三维周期性排列。
该团队产生的院士有：郭可信院士(1980年)、叶恒强院士（1991年）、张泽院士（2001年）。
文字内容摘自沈阳材料科学（联合）实验室《五重旋转对称和二十面体准晶的发现-郭可信》
遗憾的是，郭可信先生于2006年12月13日22时45分在北京大学第三医院因病逝世。如果先生在世，不知有何感慨？如果没有文化大革命，先生领导的团队也许不会有遗憾。
现在有人大放厥词，基础研究不重要，这一现象值得我们科技界深思！！！
作者：金唢呐 在 驴鸣镇 发贴, 来自 http://www.hjclub.org |
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