(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【钻石是晶体吗? 晶体有哪些】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 。
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