寻找准晶体

刘安立

它是一种非凡的、却又“不应该”存在的矿物质。那么，究竟是什么原因造就了这种令人不可思议的物质？现在，就来欣赏这个曲折的地质学侦探“大片”。

此刻，保罗·斯坦哈特已经确信这个小颗粒正是他要找的东西。但这块岩石颗粒太小了，他不得不把它粘在一根玻璃棒的末端，生怕它丢失。他已经记不得找到这个岩石样本花了他多少时间。但要真正了解这块独特石头的故事，需要把斯坦哈特带到可以说是世界的尽头，而且在某种意义上——带到地球之外。

斯坦哈特的正式研究领域是理论宇宙学。直到2011年他58岁时，他从未露营过。他之所以突然决定要去荒野待几天，其实是始于20世纪80年代初对一个数学游戏——选择浴室瓷砖的着迷。把许多重复的正方形、等边三角形、平行四边形或正六边形的瓷砖，紧密地拼接在一起，最终刚好能贴满浴室地面。但任何其他形状的瓷砖都不能做到这一点。

或者，把规则再放宽一点。如果每一块瓷砖的形状规则但不重复，依然可以用五边形、梯形和其他形状规则的瓷砖镶满浴室地面。15世纪初建立在伊朗伊斯法罕的多座清真寺（请参见后文链接：《基里赫瓷砖》），都运用了这类“准周期”的瓷砖模式。由英国物理学家罗杰·彭罗斯发明的准周期结构，也是这种模式的一个著名的现代范例。

斯坦哈特则考虑了这样一个问题：在三维空间是否存在准周期结构？这并非是一个完全无端的猜想。透过电子显微镜观察，从钻石到硅石再到石墨，任何结晶固体都会产生典型的衍射模式。这些模式与以规则、重复阵列排列的原子的衍射模式一致。如果把这些阵列视为点阵，并且把它们连接起来，就能得到正方形、三角形、平行四边形和六边形。简直太神奇了。但是，能否把原子也以准周期模式排列呢？

最终，斯坦哈特证明了至少在理论上可以让原子如此排列，并且还证明了：任何这类准周期结构晶体（以下简称准晶体）的衍射模式都非常漂亮，截然不同于常规晶体的衍射模式。1984年11月，当他读到以色列物理学家丹·舍特曼（当时舍特曼一直在研究新型金属合金的制造）的一篇论文时，他立即认出了这种特异的衍射模式。次月，斯坦哈特就与他的学生达夫·列文发表了论文《准晶体：一个新类型的有序结构》，介绍了他们在理论上的发现，文中也提到了舍特曼研发的材料。

并非所有科学家都认同他们的说法。其中最有名的反对者是获得了诺贝尔奖的化学家莱纳斯·鲍林。他宣称“不存在准晶体之类的东西，只存在准科学家”，言下之意是斯坦哈特算不上真正的科学家，其有关准晶体的研究理论也不是真正的科学理论。直到1987年，潮流才开始反转。当时，麻省理工学院的一组科学家运用可互换准晶体衍射模式，创制了一种由铝、铜和铁组成的合金。到2011年舍特曼获得诺贝尔奖时（请参见后文链接：《被嘲笑者赢得诺贝尔奖》），已知的合成准晶体已超过100种。

准晶体的优势并不仅仅在于奇特：准晶体内部的原子排列，赋予了准晶体一系列诱人的特性——非常坚硬，摩擦力很低，是很好的热绝缘体。因此，从飞机到不粘锅的各种表面材料，再到能用废热发电的热电材料和非常节能的发光二极管，准晶体都可能大有用场。但前提是要对准晶体有更多了解，以及找到方便可行的准晶体制造方法。

而这恰恰是问题所在。当科学家试图在实验室里制造准晶体时，哪怕温度或压力的小小波动，也会让原子的精致排列模式偏离到更常规的晶体结构。准晶体只能在精细控制的条件下制造，这无疑是缓慢而又昂贵的过程。但斯坦哈特有一种直觉：制造准晶体应该不会只有以这种方式。但如何证明这一点？如果能在自然界找到准晶体，或许就能证明有更简单的方法来制造准晶体，而我们也许能从中受到启发。

刚开始时，斯坦哈特没有太多时间来寻找天然准晶体。他只是偶尔会抽出时间，向世界各地的博物馆申请岩石样本，目测它们是否具备准晶体的特征。但当他1998年到了普林斯顿后，他得到了一种新装备：电子衍射显微镜。他开始采用一种新算法，与一些同事共同在一个特殊数据库（由来自岩石粉末的成千上万种衍射模式组成）中搜索准晶体结构。那些有希望的样本，来自于博物馆馆藏和个人收藏。科学家们把岩石样本切割成小片，在显微镜下仔细寻找它们可能具有的准晶体特征，却始终未能找到。

2001年，科学家们发表论文宣布自己的失败，其实是希望有人能站出来提供他们想要的岩石，但一直未得到回应。直到6年后的一天，斯坦哈特收到了一封署名卢卡·宾迪的电子邮件。宾迪是意大利佛罗伦萨大学自然历史博物馆的矿物学带头人，专门研究天然矿物质的结构复杂性。全球矿物学家中，只有他回应了斯坦哈特团队。这一点弥足珍贵，而且他很快就像斯坦哈特一样，迷恋上了寻找天然准晶体。

宾迪起初只研究他所在博物馆所收藏的岩石，但接下来他又把目光投向其他地方的样本，终于发现了一块直径只有大约3毫米的样本——白色、灰色、黑色和黄色错杂的颗粒样本。它的标签上说，它属于铝锌铜矿，来自于西伯利亚的科里亚克山脉。

铝锌铜矿拥有科学家们认为有希望的化学组成：就像实验室制造的首批准晶体当中的一些那样，它包含铝和铜。被打磨成粉状来观测，铝锌铜矿很符合斯坦哈特团队的算法。2009年初，宾迪把其中一些微粒（它们的直径约为0.1毫米）送给斯坦哈特。斯坦哈特通过电子显微镜观察这些微粒，发现了确凿无疑的准晶体特征。

不幸的是，这一发现付出了很大代价。宾迪所进行的打磨消耗掉了这些微型样本中的大部分，有关这些样本来源的线索也随之失去。随后几年里，斯坦哈特团队检验了剩下的每一颗岩石微粒，尽可能从中获取信息。他们还分析了有关这种岩石起源的各种大胆的假说：闪电袭击、工业炼铝产生的炉渣甚至核爆炸。然而，它们都不吻合。

他们还把一颗微粒送到加州理工学院，目的是检验它的氧同位素。检测结果是，它的同位素构成与年代在大约45亿年前（太阳系形成时期）的CV3碳粒陨石的这一构成完全匹配。这一检测结果，再加上微粒中存在只能在高温高压下形成的一种硅土矿物质，就强烈暗示这种矿物质形成于两颗小行星在太空中的高速碰撞，碰撞产生的物质随后落到地球上。如此看来，准晶体在自然界中的确存在，但它们的发源地并非是地球。

这个样本有多古老？它怎么会在小行星碰撞中存活下来？它是唯一的天然准晶体，还是有很多种这样的准晶体，只是我们还没有找到？为了找到答案，斯坦哈特就必须去露营。于是，在2011年的一天，他决定要去这个标本的“老家”寻找答案。

但他首先得决定露营地在哪里。一张写着“科里亚克山脉”的标签根本没有什么帮助——这是西伯利亚最大的山脉。宾迪当年的购买记录中说，这块岩石是1990年由阿姆斯特丹收藏家尼科·寇克寇克卖给他所在博物馆的1万块岩石样本之一。但这条线索起初也没有多大作用，因为找不到寇克寇克。

通过不厌其烦的调查，斯坦哈特还是发现了另一个铝锌铜矿样本。它是俄罗斯圣彼得堡一家博物馆的藏品之一，不允许拿去做衍射显微镜检测。它是由苏联铂金研究院前领导、后来移民以色列的列奥尼德·拉辛捐赠给这家博物馆的。但当斯坦哈特联系到他时，他却称自己对那个铝锌铜矿样本一无所知。这样，又一根线索断了。

山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。宾迪向一个来自阿姆斯特丹的熟人说起他们对准晶体的找寻，此人恰好就住在一位叫寇克寇克夫人的街对面。随后发现，她正是尼科·寇克寇克的遗孀。宾迪立即前往阿姆斯特丹造访她，说服她分享她丈夫的秘密日记。他们发现，这块铝锌铜矿是由罗马尼亚岩石商蒂姆卖给寇克寇克的，而蒂姆又是从拉辛手中得到它的。

如此看来，宾迪所在博物馆收藏的这块铝锌铜矿样本与圣彼得堡博物馆收藏的同类样本是相关的。虽然拉辛拒绝提供线索，但经过曲折的过程，斯坦哈特团队最终还是得到了线索，找到了对这块岩石来源的唯一知情者——瓦内利·克里亚奇科。

克里亚奇科被找到时已60多岁。1979年，拉辛派他去科里亚克山脉的李斯特维尼脱河淘沙取铂金。克里亚奇科花了数天筛洗河边的蓝绿色黏土，发现了黄金、泥浆和其他奇异发光的岩石，但没有找到铂金。为证明他没有偷懒，他带回了一些奇异的岩石。

此后他再也没见到这些岩石。拉辛把它们带到了圣彼得堡，然后把它们卖给了收藏者。斯坦哈特说，拉辛或许自认为很聪明，但他实际上亏惨了。这不足为奇——当时根本就没人听说过准晶体。

斯坦哈特团队终于找到了这次露营的地点。随后，赞助款大笔大笔地到来。他们发现，许多富商对两样东西特别感兴趣——恐龙和流星。而他们最需要找到对陨石感兴趣的人。2011年7月22日，斯坦哈特、宾迪和克里亚奇科来到位于西伯利亚最东边的一个偏远城镇——安纳迪尔，随行者包括斯坦哈特的儿子小斯坦哈特，以及来自美国和俄罗斯的其他6名科学家、两名卡车司机、一名协助他们通过法律关口的律师兼随队厨师，以及这名律师的宠物猫。

到达“露营地”的路途长达4天。说是路，其实根本就不是路。在蚊子多得可以阻挡视线的荒野中，他们坐在“雪猫”（加装了毛毛虫状胎面的退役坦克）上前行。他们吃蘑菇、罐装肉和从沿路河中捕来的鱼。最终，他们来到了克里亚奇科几十年前发现铝锌铜矿的地方。他们在河边荒地的中心驻扎下来。

发掘的第一天，在挖掘又厚又硬的泥巴时，他们有两只铲子挖断了。最终，他们用铲刀和刀子从结冰的河中取到了泥巴。他们把泥巴煮沸后淘洗，去掉水和较大的岩石块，再不断淘洗、筛选，在每天工作结束时只得到极少量的细粉尘微粒。当时除了宾迪很乐观之外，几乎无人相信能找到准晶体。

回到普林斯顿后，这种乐观才被证实。疑似准晶体的样本中，有9个颗粒被证实来自于1.5万年前～8000年前闯进地球大气层的陨星，其中4个包含准晶体。但这带来了更多奥秘：除了准晶体之外，这些陨石材料中还含有单独的铝，这样的现象在自然条件下罕有发生（这是由于铝很容易被氧化）。更奇怪的是，这些陨石材料中还含有金属铜，而金属铜的形成条件通常与铝的形成条件截然不同。那么，这些铝和铜是从哪儿来的？一种可能性是，它们来自于一颗被较小岩石撞击的较大的小行星，相撞后的碎片掉在地球上。相撞时，小行星的一部分被加热到足够熔化含铝和铜的矿物质的程度，从而释放这些金属并产生准晶体。在太空的冰冷条件下，岩石迅速冷却，岩石颗粒得以存活下来并最终落到地球上。

从这个意义上说，斯坦哈特等人对准晶体的找寻迄今为止是不成功的。准晶体微粒的形成竟然经历了宇宙中的撞击、与地球大气层摩擦的烈焰之旅以及在永久冻土中蜷缩成千上万年，如此磨难过程说明准晶体的诞生绝非易事。但这并不会让斯坦哈特父子及其团队退缩。既然已经知道准晶体就是陨石，而陨石落在哪里都有可能，所以在近处找也无妨。另外，既然已经找到了一种天然准晶体，那么找到第二种、第三种甚至更多种即便不是理所当然，也并非没有可能。

被嘲笑者赢得诺贝尔奖

结晶材料一般由晶胞（晶胞是指构成晶格的最基本几何单元。晶格是指晶体内部原子排列的具体形式。请参见文末名词解释）组成。晶体中的原子排列模式具有三维空间的周期性，隔一定的距离重复出现。这种晶体结构使得石墨成为一种很好的润滑剂。

1982年4月8日早晨，在美国工作的以色列工学院科学家丹尼尔·舍特曼在观察一种迅速冷却的金属合金晶体的电子显微镜图像时，发现了完全不同的东西：这种合金中的原子排列模式不重复。舍特曼当时不禁自言自语：“不可能有这种玩意儿。”这类看似古怪的结构如今被称为“准晶体结构”，并且这类结构已在多种材料中被发现。不均衡的结构使得准晶体尤其坚硬。

舍特曼的这个发现显然背离关于晶体的“经典理论”，所以他“理所当然”遭到了嘲笑。尤其是科学巨擎、两次诺贝尔奖得主莱纳斯·鲍林对他发起了令人害怕的“征战”。鲍林不仅否认准晶体之类的东西存在，而且揶揄舍特曼不懂科学。舍特曼所在研究团队也要他回去重读教科书，并且不要再回团队，以免让整个团队“蒙羞”。

孰料，因为对准晶体的发现，舍特曼最终赢得了2011年诺贝尔化学奖，奖金为150万美元。诺贝尔委员会在颁给他这一奖项时说：“他（指舍特曼）的发现极具争议性。舍特曼对传统科学理论发动了一场鏖战。他的战斗最终迫使科学家们重新思考他们对事物本质的观念——永不重复自己的规则模式是存在的。”而这个模式正是准晶体模式。

科学家们曾经以为固体只有两种状态：晶体，例如钻石，它们的原子精确排列；非晶体，例如金属，它们的原子排列没有特定顺序。准晶体却提供了第三种可能性，打开了一扇通往新型材料的大门。迄今为止，实验室中已经合成了数百种准晶体。

科学家解释说，晶体中的原子排列很对称。而在准晶体中，这种对称性被打破。准晶体结构中有规则的模式，但绝不重复。在一些阿拉伯马赛克（镶嵌画）中也能看到这样的现象。阿拉伯马赛克中的模式有一种耐人寻味的特征，就是被称为“黄金分割率”的数学常数，而这个常数在自然界中比比皆是，其背后是13世纪就已发现的斐波那契数列，即数列中每个数都是其前面两个数的和。

诺贝尔委员会指出，准晶体的存在意味着有关晶体的教科书都需要改写，这是一种观念的彻底转变。事实上，自从伽利略被传统科学嘲弄，并且因为观测到的确如哥白尼所说的那样——是地球绕着太阳转（而不是反之）而被教会迫害以来，推翻传统观念从来都不容易。这，也许正是舍特曼获奖的根本理由。