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钻石是晶体吗? 晶体有哪些

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编辑评论/注释
青少年思维前沿杂志网站(以下简称“FYM”)推出了一组由五位诺贝尔奖获得者专门为青少年撰写的科学文章 。赛先生获FYM授权翻译五篇文章，将陆续与中国读者分享 。
目前，该集合包含以下文章:
我们如何找到自己的路？大脑中的网格细胞——梅-布里特·莫泽，2014年诺贝尔生理学或医学奖得主 。
生物计算机模拟技术——2013年诺贝尔化学奖获得者迈克尔·莱维特 。
准晶体，而不是准科学家——2011年诺贝尔化学奖得主丹·谢克曼
生命的转录:从DNA到RNA-2006年诺贝尔化学奖得主罗杰. d .科恩伯格 。
蛋白质的靶向降解:泛素系统——2004年诺贝尔化学奖得主阿龙·切哈诺沃
和所有在FYM发表的文章一样，这五位诺奖作者也需要用孩子的语言重写文章，然后由8-15岁的同行评审员出具评审报告，通过后才能发表，以保证文章通俗易懂，趣味性强 。一位来自瑞士的13岁青年审稿人分享了他的看法:“我对科学很感兴趣，能够审阅真正科学家的手稿真的很有趣！许多论文向孩子们解释一些危险的疾病 。我觉得这个信息太重要了！”该文集的作者之一、2004年诺贝尔化学奖得主阿龙·切哈诺沃说:“奖项和认可不是人们追求的最终目标 。把知识传播到世界各地，造福人类，这是作为科学家的伟大成就 。我从小就喜欢读科学知识 。我想那时候，我心里就种下了科学好奇心的种子 。”
准水晶，不是准科学家
作者
丹·谢克特马
以色列理工学院材料科学与工程系
准晶体的发现掀起了晶体科学的一场革命，改写了我们对晶体的基本定义 。
翻译
新岭
材料科学主要研究不同材料的结构和特性 。有一种材料叫水晶 。晶体是固体材料，它们的基本构成单元(原子、离子或分子)在空之间以高度有序的方式组织在一起 。盐、应时和钻石都是著名的水晶 。
在普通晶体中，基本的积木是按照一定的周期性组织起来的，它们在各个方向上周期性重复 。但在一种特殊的晶体中，即准晶体(或准周期晶体)，基本积木的排列是不重复的 。
准晶体的发现掀起了晶体科学的一场革命，改写了我们对晶体的基本定义 。在发现第一个准晶后，科学家们又发现了数百个准晶 。一些准晶表现出独特的物理性质，在许多领域得到了应用 。
01我是如何成为材料科学家的我七岁的时候，爷爷给了我一份特殊的礼物——放大镜！我很开心，拿着放大镜在拉马特甘走来走去 。我用它来观察我周围的一切:花、虫子、沙子和许多其他微小的东西 。在这个过程中，我不自觉地爱上了这个缩影 。
后来我五年级的时候，学校来了一台新的显微镜 。我要求我的老师每周带一台显微镜来上课 。终于有一天，他真的带了过来，让我第一个上去观察 。我们观察了一片叶子，我可以看到叶绿素在移动 。从那以后，我就离不开那台显微镜了 。
很多年后，我去以色列理工学院学习时，我们系获得了一种特别强大的显微镜，叫做透射电子显微镜(TEM) 。我爱上TEM是因为它能实现我对微观世界的科学好奇心 。我很快掌握了TEM的操作要领，也正是有了它，我发现了一种新材料，这种材料后来为我带来了诺贝尔奖 。
O2准晶的发现1981年，我去美国学习与飞机相关的铝合金材料 。首先，我研究了铝铁合金，发现了一种新的相——合金原子的新排列 。我想研究一下这个安排，但是不稳定，经常变动 。所以我做了各种铝锰合金，因为铝锰合金比较稳定 。
我用不同浓度的铝和锰来制造合金 。虽然有些不适合做飞机材料，但出于好奇我还是准备了 。然后用TEM逐个研究 。我称TEM为“显微镜之王”，因为它是一个强大的研究工具，具有惊人的能力，可以让我们看到材料中原子的排列 。
1982年4月8日星期四，当我用TEM扫描一种合金时，屏幕上出现了一个非常特殊的图案 。我们把电子与固体障碍物(如晶体)相互作用时产生的图样称为衍射图样 。我立刻意识到这种合金的衍射图样是不寻常的 。也就是说，这种材料具有特殊的内部结构，现在称之为准晶结构 。
我马上写了“10阶？”在我的实验笔记本中(图1右侧) 。？？“现在让我来解释为什么这种模式如此特殊，我的笔记意味着什么，以及为什么这一发现给结晶学带来了一场革命 。
图1:第一颗准晶的发现 。
(左)1982年我发现的Al-Mn准合金的衍射图样 。表示黑点中原子的分布和排列 。
(右)我的实验笔记记录了我发现这种特殊结构时的惊喜 。(图片由作者提供)
03准晶发现前后的结晶学1912年，德国科学家马克斯·冯·劳尔开创了结晶学 。冯·劳厄是第一个将X射线射入晶体的人 。他看到了晶体原子形成的有序衍射图样 。同年，英国一位名叫布拉格的父子科学家发明了一个数学方程来描述冯·劳厄观察到的实验现象 。从此，结晶学开始出现 。
结晶学诞生后，科学家们研究了数千种晶体，它们表现出两个共性:原子排列是有序的(非随机的)和周期性的(表现出重复的模式)(图2) 。基于这些观察，晶体被定义为“内部原子具有固定和重复结构的固体材料 。”
盐、石英砂和钻石是典型的晶体，而大多数金属(如铜、铝和铁)也是晶体 。传统的晶体也具有旋转对称的特性 。描述晶体结构的数学定律表明，晶体可以有不同的旋转对称性，称为“阶”，包括1阶、2阶、3阶、4阶或6阶(图2所示的四阶旋转对称结构)，但不能有其他阶(如5阶或10阶) 。
图2:序列、周期性和旋转对称 。
(左)简单、有序、周期的晶体 。表示点晶体中的原子，这些原子有规律地分布，而不是随机分布 。晶体是周期性的 。如果选择任何一条红线，相邻原子之间的距离从一端到另一端是相等的 。也可以选择任意四个原子组成的正方形，复制得到晶体结构，这也是周期性的表现 。
(中)四阶旋转对称晶体结构 。想象握住红色手柄，顺时针旋转90度 。
现在把你的手放在右边 。如果不看手柄，旋转前后整个结构没有变化 。这种晶体的结构每隔90度重复一次 。这被称为四阶旋转对称，因为完成一次完整的旋转需要4次旋转，并且所有的点都返回到它们的原始位置 。(图片由作者提供)
在结晶学诞生整整70年后，我发现了一种有序但非周期性的晶体 。为了更好地理解这句话的意思，请看图3的左侧 。你可以看到，在中心点的周围，有多个同心圆(由内向外依次为蓝、黄、红)逐渐向外扩展，由黑点组成 。
每个圆上有十个点，就像五对叶子组成的小花(点1到点6，点2到点7，等等 。).测量圆心到第一个圆的距离，你会发现还不到圆心到第二个圆的距离的一半(如图3右侧蓝黄线所示) 。圆心到第一个圆的距离不是圆心到第三个圆的距离的三分之一(如图3右侧蓝红线所示) 。
这说明我们不可能复制其中一个圆，然后按照相同的间隔排列，就可以得到晶体的实际结构 。所以这个晶体是非周期性的 。但是我们可以用数学来描述圆心到每个圆的距离，这说明水晶的结构不是随机的，而是有序的(拼图:你能找到这块水晶和蒙娜丽莎画像之间的联系吗？答案见文末 。)
请注意，图3左侧圆圈中每个相邻原子之间的距离是相等的 。因为总共有10个点，如果你把一个轴放在圆心上，向任意方向旋转36度(一个360度的圆除以10=36度)，旋转后会得到完全相同的结构 。这是10阶旋转对称 。但是5阶和10阶对称性在周期晶体中是不存在的，所以这个晶体肯定不是周期的 。
所以我写了《10步》 。？？“这样一个注意，它实际上是‘十阶旋转对称’的缩写 。我连打了三个问号，因为我知道10阶对称晶体以前从未被观测到 。
图3:准晶的衍射图 。
(左)衍射图样中逐渐扩大的同心圆(蓝、黄、红) 。每个圆有10个点，围绕圆心成对对称(如点1到点6) 。
(右)在同一个圆上，任意相邻两点之间的夹角为36度(用黑色虚线表示)，即圆心旋转36度后图案不变 。转10圈后，所有的点都回到原来的位置，这就是所谓的10阶旋转对称 。你还可以看到，圆心到第一个圆(蓝色)的距离，不是圆心到第二个圆(黄色)的一半，也不是圆心到第三个圆(红色)的三分之一 。这说明这个结构不是周期性的 。
总之，我发现了一种违反经典定义的晶体，在当时的物理定律下是不允许存在的 。那么就有两个选择:要么对我观察到的现象提出其他解释，使其不再违背经典定义，要么更新现有定义，将我新发现的晶体纳入其中 。接下来我会讲讲科学界是如何逐渐相信我们需要一个新的晶体定义的 。
科学界对准晶的反应:先批评，后接受 。1984年，我和我的同事就这一发现发表了两篇论文[1，2] 。全世界成千上万的研究人员开始和我们一起研究准晶；目前关于准晶的论文数量已经超过一万篇 。然而，也有美国科学家、两次诺贝尔奖得主莱纳斯·鲍林领导的强烈反对 。
鲍林甚至对我发起人身攻击 。他说，“这个世界上没有准晶体，只有准科学家 。”他和他的支持者认为我从显微镜里看到的是孪生现象(图4) 。孪生子是两个相互耦合的晶体 。每个晶体本身都具有有序的周期性结构 。只是因为连在一起，才可以看到5阶旋转对称 。
图4:具有五阶对称性的孪晶 。
(左)由5个孪晶组成的Al-Mn晶体 。每个“叶子”都是有序的周期性晶体，每两个(如图中红色标记所示)形成一个孪晶，相互镜像 。
(右)孪晶的衍射图样 。它确实有点类似于准晶体的衍射图样(见图1) 。这张图片显示的是孪晶的整体衍射图，红圈标记的是相邻10个晶体中的一个晶体的衍射图 。可以看出，图案是有序的、周期性的，所以符合晶体的经典定义 。
我马上检查我的水晶里有没有双胞胎 。我没有发现双胞胎，我确定我最初的发现 。我知道我发现了一个全新的现象和材料 。而鲍林对我的反对持续了十年！直到他在1994年去世，反对派才逐渐退去 。门终于打开了，我的发现被完全接受了 。
准晶体的认识给了晶体一个新的定义，也为晶体研究开辟了新的思路 。在后来发现的数百种准晶中，有些准晶表现出非常有用的性质，如抗老化、电学性质随温度变化等 。由准晶体制成的产品包括sandvik公司生产的Stam牌不粘锅和强化不锈钢 。
05给年轻人的建议如果你想成为一名科学家，你需要培养两种品质 。
首先，你要成为一个科学通才 。拥有不同领域的广泛知识，如数学、物理、化学、生物和计算机 。知道哪些现象被发现了，哪些现象根据现有理论是“允许”或“禁止”的 。就我自己的发现而言，我很清楚晶体的经典定义“禁止”5阶对称性，而5阶对称性以前只在孪晶中见到过 。
但是了解现有的理论并不足以让你成为一名成功的科学家 。而且还发展专业知识 。找到你喜欢做、擅长做、感兴趣的事情——并成为这方面的专家 。我发展了自己的专业知识 。当时能像我一样用好这台显微镜的人很少 。这是我的优势，即使面对鲍林的严厉批评，我也能对自己的结果保持信心 。
总之，请记住生活给我们提供了许多机会，我们应该知道如何利用它们 。也请记住，生活是由极其丰富的元素组成的 。
有人问我人生中最幸福的时刻是什么，我回答说最幸福的时刻是我和妻子在一起的时候，是我们4个孩子和12个孙子出生的时候 。希望你也能体会到创造生命和理解世界的奇妙 。祝你旅途愉快 。
06谜底揭晓在我发现的晶体中，每个圆的直径之比(如图3所示)是黄金比例——一个大约等于1.618的无理数 。达芬奇最著名的画作《蒙娜丽莎》的脸上也发现了同样的黄金比例 。黄金比例给观众带来愉悦的审美体验 。你能看到我发现的衍射图样的美吗？
确认:
这篇文章的采访和部分写作由以色列理工学院研究生Noa Segev完成 。
审核人:
以色列贝尔谢巴Makif Amit学校Nachshon班同学，12-13岁 。
这个班的学生广泛学习科学、计算机科学和数学 。这个课程叫做“Nahshon ”,意在强调团队合作和领导力 。班主任是Adva Meisel博士 。
参考资料:
[1].Shechtman，d .和Blech，I.A .，1985年 。快速凝固Al6Mn的显微组织 。冶金学报A，第16卷第6期，第1005-1012页 。
多伊:https://doi.org/10.1007/BF02811670
[2].Shechtman，d .，Blech，I .，Gratias，d .和Cahn，J.W .，1984年 。具有长程取向有序且无平移对称性的金属相 。物理评论快报，53(20)，第1951-1954页 。多伊:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.1951
作者简介
丹尼尔·舍特曼
Shechtman是以色列理工学院材料科学与工程系的名誉教授 。2011年因发现准晶获得诺贝尔化学奖 。
多年来，Shechtman教授获得了许多重要奖项，包括罗斯柴尔德工程奖(1990年)、魏茨曼科学奖(1993年)、伊斯雷尔物理学奖(1998年)、沃尔夫物理学奖(1999年)和EMET化学奖(2002年) 。
谢赫特曼出生于以色列特拉维夫 。他拥有以色列理工学院机械工程系学士学位(1996年)、材料科学硕士学位和博士学位(1968年、1972年) 。
Shechtman教授和他的妻子Tzipora有四个孩子，他是一个自豪的祖父，有12个孙子 。
关于年轻思想的前沿
年轻思想前沿组织成立于2013年 。这是瑞士前沿出版社为儿童创办的科学杂志 。也是Frontiers花了很多年培育的纯公益项目 。
其运作模式与科学期刊如出一辙，旨在从青春期开始培养孩子的科学思维，提供与世界级科学家交流的机会 。截至目前，约有3500名青年评审员参与了评审，约有600名科学导师指导了他们的评审过程 。
《青年思想前沿》的750篇文章被浏览和下载了1000多万次，有英文、希伯来文和阿拉伯文版本 。期刊编辑委员会目前由来自超过64个国家的科学家和研究人员组成 。
【钻石是晶体吗? 晶体有哪些】面向年轻人的前沿领域包括天文学和空科学、生物多样性、神经科学、污染预防和心理健康等 。尽管期刊的读者是青少年，但《青少年前沿》杂志发表的所有研究都是基于坚实的循证科学研究 。

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